基于ANSYS的铸件充型凝固过程数值模拟
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摘要
铸造过程数值模拟是当前材料加工领域的研究热点,目前进行的研究多将充型过程和凝固过程分开进行,且多在铸造专业软件上实现。只进行充型过程数值分析,得到的温度计算结果不能预测缺陷,没有工程实用价值;只进行凝固过程数值分析,温度初始条件多建立在“瞬间充型、温度均布”假设的基础上,从而难以得到可靠的温度场、应力场计算结果,而建立在温度场结果基础上的缩孔、缩松、热裂判断也难以准确,尤其是在尺寸上厚大的零件。因此,研究在通用模拟软件上进行铸造充型与凝固全过程数值模拟,对铸造数值模拟的工程实用化水平的提高有着重大意义。
本文研究了铸造充型和凝固过程各控制方程的离散,用ANSYS Fluent软件包实现了铸造充型过程热流耦合计算及凝固过程温度场计算,得到了与实验相符的计算结果。用ANSYS Mechanical模块实现了铸造充型凝固过程流程、温度场、热应力场的计算,并进行了缩孔、缩松、热裂的缺陷预测。主要研究工作如下:
1、研究了铸造充型过程各控制方程的有限体积法离散方法;
2、研究了铸造凝固过程各控制方程的有限元法离散方法;
3、研究了ANSYS Fluent中边界条件、初始条件、材料参数、紊流模型、相变等设置方法,并实现充型过程热流耦合和凝固过程的温度场计算;
4、研究了ANSYS Mechanical中边界条件、初始条件、材料参数、紊流模型等设置方法,并实现充型过程热流耦合计算,并用热弹塑性力学模型,耦合计算了凝固过程温度场和应力场;
5、比较了有限体积法(FVM)和有限元法(FEM)在热流耦合计算的过程及结果,得出有限体积法在求解流动和温度上速度较快的结论;
6、选择合适的判据,对缩孔、缩松、热裂缺陷进行了预测。
Casting process simulation is the current hot research of materials processing field. Most current researches process do filling and solidification process simulation separately, and implemented on cast professional software. Temperature field results of mold filling process numerical analysis can not be used to predict the defects, which provide no practical value for engineering; numerical analysis of solidification process based on the assumption "moment of filling, temperature uniform", which can cause inaccurate results of the temperature field and stress field, and the shrinkage, thermal cracking defects predict will inaccurate too, especially heavy castings. Therefore, the study on the whole process of filling and solidification simulation on general simulation software has great significance to raise practical engineering level of casting numerical simulation.
In this paper, discrete equations of filling and solidification process were studied.Using ANSYS Fluent software package coupled calculate temperature field and flow field of mold filling process and temperature field of solidification process, which consistent with the experimental results.Using ANSYS Mechanical module calculate temperature field, thermal stress calculation of casting process, and predict shrinkage, shrinkage and thermal cracking defects. The main work is as follows:
1. Use FVM discrete control equations of mold filling process.
2. Use FEM discrete control equations of solidification process.
3. Studied setting method of boundary conditions, initial conditions, material properties, turbulence model in ANSYS Fluent, and coupled calculate temperature field and flow field of mold filling process and temperature field of solidification process.
4. Studied setting method of boundary conditions, initial conditions, material properties, turbulence model in ANSYS Mechanical, and coupled calculate temperature field and flow field of mold filling process. And use Thermal elastic-plastic mechanical model, coupled calculated temperature field and temperature field.
5. Comparied the process and results of FVM and FEM, and obtained conclusion that FVM is faster than FEM in flow field and temperature field calculation.
6. Select the appropriate criterion to predict shrinkage, hot crack defects.
本文研究了铸造充型和凝固过程各控制方程的离散,用ANSYS Fluent软件包实现了铸造充型过程热流耦合计算及凝固过程温度场计算,得到了与实验相符的计算结果。用ANSYS Mechanical模块实现了铸造充型凝固过程流程、温度场、热应力场的计算,并进行了缩孔、缩松、热裂的缺陷预测。主要研究工作如下:
1、研究了铸造充型过程各控制方程的有限体积法离散方法;
2、研究了铸造凝固过程各控制方程的有限元法离散方法;
3、研究了ANSYS Fluent中边界条件、初始条件、材料参数、紊流模型、相变等设置方法,并实现充型过程热流耦合和凝固过程的温度场计算;
4、研究了ANSYS Mechanical中边界条件、初始条件、材料参数、紊流模型等设置方法,并实现充型过程热流耦合计算,并用热弹塑性力学模型,耦合计算了凝固过程温度场和应力场;
5、比较了有限体积法(FVM)和有限元法(FEM)在热流耦合计算的过程及结果,得出有限体积法在求解流动和温度上速度较快的结论;
6、选择合适的判据,对缩孔、缩松、热裂缺陷进行了预测。
Casting process simulation is the current hot research of materials processing field. Most current researches process do filling and solidification process simulation separately, and implemented on cast professional software. Temperature field results of mold filling process numerical analysis can not be used to predict the defects, which provide no practical value for engineering; numerical analysis of solidification process based on the assumption "moment of filling, temperature uniform", which can cause inaccurate results of the temperature field and stress field, and the shrinkage, thermal cracking defects predict will inaccurate too, especially heavy castings. Therefore, the study on the whole process of filling and solidification simulation on general simulation software has great significance to raise practical engineering level of casting numerical simulation.
In this paper, discrete equations of filling and solidification process were studied.Using ANSYS Fluent software package coupled calculate temperature field and flow field of mold filling process and temperature field of solidification process, which consistent with the experimental results.Using ANSYS Mechanical module calculate temperature field, thermal stress calculation of casting process, and predict shrinkage, shrinkage and thermal cracking defects. The main work is as follows:
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4. Studied setting method of boundary conditions, initial conditions, material properties, turbulence model in ANSYS Mechanical, and coupled calculate temperature field and flow field of mold filling process. And use Thermal elastic-plastic mechanical model, coupled calculated temperature field and temperature field.
5. Comparied the process and results of FVM and FEM, and obtained conclusion that FVM is faster than FEM in flow field and temperature field calculation.
6. Select the appropriate criterion to predict shrinkage, hot crack defects.
引文
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