机床支架铸造凝固过程温度场计算机软件模拟研究

姜颖

(天津轻工职业技术学院，天津，300350)

机床支架铸造凝固过程温度场计算机软件模拟研究

姜颖

(天津轻工职业技术学院，天津，300350)

采用CAD/CAE结合技术对机床支架铸造凝固过程温度场进行有限元分析是一种很好的选择。根据材料特性随温度变化的特点，对铸件凝固过程的温度场进行分析，得到温度随时间变化的分布云图和温度梯度分布云图，让铸件的凝固过程可视化,对预测缩孔,缩松等铸造缺陷提供基础数据,分析评价并通过控制凝固条件优化铸造工艺,减少工艺准备失误率,缩短试制周期,降低试制成本有显著的作用。

计算机分析软件；机床支架；凝固过程；温度场

1 CAD/CAE在铸造工艺中的应用

铸造广泛用于机械制造、现代各种机械设备在铸造占相当大的比例,由于铸造过程是复杂的,有很多因素会影响铸件的质量,废品率较高。铸造工艺设计是一个关键环节,确保铸件的质量,特别是对于大型复杂的铸件及铸件的批量生产,一旦过程错误会造成重大经济损失。利用CAD/CAE技术较真实的反映铸造系统温度的发展过程，有助于设计者确定铸件容易并且可能出现缺陷的部位，从而指导设计者改进技术，提高生产质量。CAD 运用计算机软件制作并模拟实物设计，在工程、产品设计、大量工作中,如复杂的数学和力学计算,多种方案,分析和优化,提出工程设计和生产管理的输出信息等都可以由计算机完成。CAE是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

2 铸造中凝固过程的温度场分析

温度场分析是用于计算一个系统或部件,温度分布和其它热物理参数如热损益,热梯度和热流密度(热通量),温度场可以被称为热传导的情况分析,基本上为两种不同的具体情况来研究探讨。稳定情况下的温度场变化的直观研究,它随着瞬时时间的改变而推移,无关的情况的现场研究以及瞬态模式下温度场的直接采样,它是与时间的具体跳动的变化有着密切关系的。

在一般三维问题中，瞬态温度场的场变量Θ(x,y,z,t)在直角坐标系中应满足的微分方程是：

式中ρ—材料密度；c—材料比热；kx、ky、kz—材料沿x、y、z三个方向的热传导系数；Q=Q(x,y,z)—物体内部的热源密度。

此方程既是热量平衡方程，式中第一项是微体升温需要的热量。第2、3、4项是x、y、z方向传入微体的热量。到最终的一项是微体内热源的热量发生了效果。微分公式方程指出：微体升温的过程所需的热能量应于传入微体本身的热能量，以及微体内热源产生热能量相互平衡。

如果系统的净热流率为0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：q流入+q生成-q流出=0，则系统处于热稳态。在稳态热以矩阵形式表示分析的能量平衡，稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化的方程为：

式中：

[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；

{T}为节点温度向量；

{Q}为节点热流率向量，包含热生成；

瞬态传导热能的过程是说明系统在运行过程中热流率、温度、边界条件以及系统将产生的明显的随时间的变化，一个具体系统在运行过程中的加热或冷却。使用能量守恒原理来进行表示和说明, 以离散数学矩阵形式对瞬态热平衡表示为：

式中：

[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；

[C]为比热矩阵，考虑系统内能的增加；

{T}为节点温度向量；

{Q}为节点热流率向量，包含热生成；

为了说明变化的随时间改变的载荷,第一必须载荷一段定时时间曲线可分为载荷相关操作。加载每一个转折点负载温度曲线的步骤。

3 通过计算机软件对机床支架铸造凝固过程进行数值模拟

CATIA软件是屈指可数的三维设计软件的市场领导者。UGNX三维设计软件的高端产品,广泛应用于汽车及其配件、模具设计,其造型方便,灵活表面是强大的,尤其是NX凸轮特性可以毫不夸张地说,它应该是目前行业最强大的和最受欢迎的。证明可以说是高端产品的三维设计软件,拥有强大的设计和处理功能,用于家用电器、汽车零部件、模具行业。Solidworks是最好的三维设计软件营销,虽然软件功能弱,属于产品的三维设计软件,但由于良好的营销,和软件本身是容易学习,快速建模,已被广泛应用于中小企业。固体边缘有很强的可用性,在机械设计中,表面建模、钣金、塑料模具、焊接的一个独特的特性,管道和电缆部队,特别是金属板可以被称为最强大的。

在保持类型栏选择IGES格式，在文件名栏输入文件名后单击保存按钮，得到IGES文件。

打开ANSYS软件，单击主菜单file——>import——>IGES...,弹出对话框，弹出文件选择对话框，选择到刚才保存的IGES文件后单击打开按钮，再单击OK按钮，开始导入。

在Main Menu->Preprocessor->Meshing->Mesh Tool…选择材料特性编号1（铸件），采用智能网格划分法，对铸件划分网络，如图1所示；选择材料特性编号2（砂型），对其模型划分网格，如图2所示。

图1 铸件的网格划分

图2 砂型的网格划分

图3 、图4是浇注系统整体的温度场在不同时间的云图，图描述的是熔融液浇注进砂型初始时铸件与砂型内部温度场分布。从图中可以看出，由内到外依次为红色、橙色、黄色、淡黄色、青色、浅绿色、绿色、浅蓝色、蓝色，并呈梯形云图分布。

图3 第1秒整体温度场云图

图4 第36000秒整体温度场云图

图5 、图6是铸件支架的温度场在不同时间下的云图。开始的时候铸件的温度是最高的达到1400℃，在100秒的时候局部温度发生了下降，但大部分还是1400℃，可以明显的看到支架的左右两个肩部温度较低。随着时间的推移，蓝色的部分越来越多，这些地方发生铸造缺陷的概率就相对大一些。

预测铸造过程中出现缺陷的可能性，为优化铸造工艺提供科学的、直观的指导，促进现代铸造工艺的发展。铸造温度场数值模拟的系统是相当复杂的,非线性的热物理性质,金属和铸造凝固效应之间的联系等等。这样一个系统的分析,数字仿真软件及其实现更加复杂,分析的结果做出直观的判断是否正确,因此软件系统的正确性和软件使用的正确性进行验证。

图5 第1秒铸件温度场云图

图6 第36000秒铸件温度场云图

4 结论

本文利用计算机分析软件对铸件机床支架在铸造过程中的凝固动态过程进行了三维数值模拟。为了优化铸造工艺提供科学和直观的指导,促进现代铸造技术的发展。同时阐述了计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助工程（CAE）在工程设计上的互补结合，采用CAD技术来建立CAE的三维几何模型，可以弥补CAE软件在绘制复杂几何图形的不足。而经过CAE软件对几何模型进行数值模拟分析后再用CAD进行设计上的改进，二者互为补充。使用三维绘图软件绘制铸件机床支架的三维几何模型，对铸件机床支架的浇铸系统和砂箱进行建模，然后划分网格，进行加载，计算铸件机床支架凝固过程的温度场，得出结果。

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Simulation study on temperature field of solidification process for machine tool stand in computer software

Jiang Ying
（Tianjin Light Industry Vocational Technical College,Tianjin,300350）

Using CAD/CAE technology to machine bracket casting solidification temperature field finite element analysis is a very good choice.According to the characteristics of the material properties vary with temperature, the temperature field of casting solidification process were analyzed, and the map of tire temperature change over time and temperature gradient distribution contours of casting solidification process visualization, to predict the shrinkage cavity, shrinkage of casting defects such as provide the basic data, analysis and evaluation and through the control of solidification conditions to optimize the casting process, reduce the process to prepare turnovers, shorten the development cycle, reduce the manufacture cost a significant role.

Computer analysis software;Machine tool Stand;solidification process;temperature field