基于ANSYS的T型铸钢件铸造温度场的数值模拟

汪俊

摘 要：为观察铸钢件凝固时内部的温度分布情况，采用数学模拟的研究方法，，利用ANSYS软件对铸钢件冷却时的温度场进行瞬态热分析模拟，得到冷却时的温度及温度梯度分布。结果反映了铸造系统温度的变化过程，并对铸件所产生的缺陷部位进行预测，从而为后续的工艺优化提供参考依据。

关键词：T型铸钢件；数值模拟；温度场；ANSYS

铸造过程温度场数值模拟能够准确地表达铸件凝固冷却的过程，从而预测和分析铸件缩松、缩孔等缺陷。在众多的温度场数值模拟软件中，ANSYS是最为通用有效的有限元软件之一。本文采用ANSYS软件对铸钢件凝固过程瞬态温度场建立有限元分析模型 ，并预测了缩松、缩孔等缺陷的发生。

1 温度场数理模型的建立

本文研究所用T型铸钢件及其砂型的横截面尺寸如图1所示。考虑结构的对称性，取铸件和砂型模具横截面的1/2为研究对象，从而节省计算时间，提高模拟的精度，使模拟的结果更接近实际值。

1.1 基本假设和处理

铸件实际凝固过程非常复杂，各种复杂因素很难都考虑到，故对模拟过程做如下的假设和简化：

金属液是瞬时充满型腔，并忽略金屬液的对流传热；不考虑金属液的过冷，凝固从液相线温度开始，固相线温度结束；砂型模具在浇注过程温度变化不大，假设其热物性不随温度变化。

1.2 凝固传热过程中的热传导方程

铸件凝固过程可以看成是一个不稳定导热过程，其控制方程为：

式中：k为导热系数，p为铸件密度，Cp比热；Q为内部热源产生的热量；T为温度；t为时间，x，y，z为任意点的坐标。

1.3 边界条件的确定

由假设知铸件材料均匀，对称面的温度分布均匀，且铸型内表面与铸件表面温度相同，传热过程取决于热物理性质。故铸件与砂型、砂型与空气间的热交换为对流换热。

1.4 热物性参数处理

查阅相关文献得铸到钢件和砂型的热物性参数。

2 温度场模拟过程分析

2.1 设定初始条件、创建几何模型和网格划分

在t=0时刻，铸件的温度为1550℃，铸型的温度为25℃，空气的温度为25℃，铸型与空气对流换热系数为65W/（m·℃）。根据模型实体建立模型，为了更准确地模拟铸件内部温度的分布，铸件和模具采用智能网格器划分网格，划分后的模型共包括234个单元，271个节点。

2.2 加载和求解

根据按上述设定压铸件凝固过程的初始条件和边界条件，施加温度载荷。选定分析类型为Transient瞬态分析类型，先进行时间步长0.01s的稳态分析，得到的温度场作为整个瞬态分析过程的初始温度，打开自动时间步长，计算终止时间为14400 s，时间步长100 s。

3 数值模拟结果与讨论

采用等值温度彩云图法描述铸件以及各点的温度场和温度梯度。分析不同时间段铸件及其模具各点温度的分布，得出缩孔、气孔等缺陷在凝固时易产生的部位，借助温度场的数值模拟技术，研究金属液体凝固过程的机制及其凝固规律。

由图2可知，浇铸初期，温度扩散不明显，其中芯部温度最高，砂型温度基本不变化；随着凝固时间的推移，铸件内部到金属型之间形成了明显的呈梯度分布的温度场，且铸件表面温度下降先于铸件的心部，这是由于铸件表面与砂型接触导致表面温度下降快，而心部由于热传导速度慢所以温度下降慢。

4 研究整个凝固过程中不同位置温度变化情况

比较铸件F、D、G三点可知，前3000秒内F点温降缓慢，D、G点温降快于F，G点温降快于D点，之后它们的温度下降曲线近似相同。因为F点在对称面的热传导较缓慢，而G点与砂型直接进行热传导，D点位于铸件内部，故较于G点慢；比较砂型内A，B，C，E四点可知，前3000秒内A点迅速升温，远快于E，C两点，之后温度下降，E点温度总高于C点。因为A点在T型件拐角，与铸件接触，故温度上升快，E，C两点都在砂型表面，但E点距离铸件较近，故整个过程中温度比C高；从图4中可看出各点温度分布较复杂，铸件内部各点温度分布趋势相似， 砂型表面各点温度分布趋势相似，整体温度随着时间延长而逐渐降低，这与客观事实相符。

5 结语

通过对T型铸件凝固温度场的数值模拟， 得出铸件及砂型的温度变化情况， 与铸件直接接触的砂型部分温度上升最快， 温度梯度变化也最大。依据仿真模拟结果和温度分布图的分析，不难得出铸造缺陷的位置，从而为优化工艺参数提供理论依据。

参考文献：

[1] 赵建华，陈红兵.浅谈铸造过程模拟仿真技术[J].大型铸锻件.2007（04）：11-14.

[2] 梁红玉，冯文义，杨亚杰.铸造充型紊流流场数值模拟研究[J].华北工学院学报.2002（03）：177-180.

[3] 薛祥，周彼德，蔺克亮.铸铝ZL101与树脂砂型之间等效换热系数的数值模拟[J].材料科学与工艺.2001（02）：206-210.

[4] 赵海东，孙凤振.铸造充型过程数值模拟及实验研究的进展[J].铸造.2011（07）：641-647.

[5] 曹广军，陈立亮.基于FDM/FEM联合的铸件凝固过程热应力数值模拟的研究[J].铸造技术.2007（07）：987-990.

[6] 柳百成.铸造技术与计算机模拟发展趋势[J].铸造技术.2005（07）：611-617.

[7] 王君卿，S.F.Hansen，P.N.Hansen.铸型充填过程模型化及流动场数值模拟[J].铸造.1987（12）：20-22.

[8] 赵健，张毅.铸件凝固电子计算机数值模拟发展概况[J].铸造.1985（05）：1-6.

[9] 郑贤淑，金俊泽.应力框动态应力的热弹塑性分析[J].大连工学院学报.1983（03）：1-6.

[10] 郭可讱，金俊泽，高钦，等.大型铸件凝固进程的数字模拟[J].大连工学院学报.1980（02）：1-17.

[11] 廖敦明，刘瑞祥，陈立亮，等.基于有限差分法的铸件凝固过程热应力场数值模拟的研究[J].铸造.2003（06）：420-425.