60吨大型钢锭温度场应力场的研究

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1、3凝固过程数值模拟3.1模拟的对象及特点本次模拟选用60吨锻造钢锭，断面形状如图，锭型为上大下小的镇静钢钢锭。钢锭模挂绝热板，上盖有隔热保护渣。钢锭模材质灰铸铁，为金属型铸造。金属型与砂型传热有不同的特点，浇注以后铸型的吸热能力非常大，单位时间通过铸件和金属型界面的热量大，凝固时间也短。砂型的铸件表面温度到凝固结束时，没有多大变化，而且铸型内部的温度分布也基本一致。但金属型铸造时，凝固快，铸件表面温度急剧下降，铸件与金属型的界面温度随着浇注后的时间推移有较大的变化。镇静钢锻造大钢锭是静态凝固，既有纵向凝固，也有横向凝固。其结构如图3.2所示。钢锭在横向上有四个带:激冷层、柱状晶带、分

2、叉树枝状晶带(即过渡层)和粗3.2模拟采用的方法本文采用通用大型有限元分析软件ANSYS来进行锻造钢锭温度场和应力场的数值模拟计算。温度场计算和热应力计算采用非祸合的形式，先完成温度场的计算，将温度场模拟结果作为热载荷施加到钢锭结构上进行应力求解。温度场的计算精度将直接影响应力场计算的精度。3.2.1ANSYS有限元软件简介在众多可用的通用和专用有限元软件中，ANSYS「31一川是最为通用的有限元软件之一。ANYsS软件是国际流行的融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件。从70年代诞生至今，经过近三十年的发展，已经成为能够紧跟计算机硬、软件发展的最新水平、功能丰富、用

3、户界面友好、前后处理和图形功能完备的、使用高效的有限元软件系统。它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，保证了它能够高效的求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题，稳态和非稳态热分析及热一结构祸合问题。ANSYS系列的各种产品和适用于各种计算机系统平台的版本，为用户提供了各种可能的选择。ANSYS公司己经使之成为计算机辅助工程(CAE)和工程数值模拟的最有效地软件，称为当代CADC/MA主流产品之一，在世界各地拥有50000多用户。3.2.2分析问题的过程有限元分析是对物理现象(几何及载荷工况)的模拟，是对真实情况的数值近似。通过对分析对象划分网格，求解有限个数值来近似

4、模拟真实环境的无限个未知量。ANYSS有限元分析过程中包含三个主要的步骤:1.创建有限元模型(1)创建ANSYS模型的途径:①创建实体模型，然后划分有限元网格:②在其它软件(如CAD)中创建实体模型然后通过数据接口读入ANSYS中，经过修正后划分有限元网格;③直接创建节点和单元;④在其它软件中创建有限元模型，将节点单元数据读入ANsYS。(2)定义材料属性材料属性是与几何模型无关的材料的本构属性。虽然材料属性并不与单元类型联系在一起，但计算单元矩阵时需要材料属性。材料属性可以是线性的和非线性的。与单元类型及实常数类似，一个分析中可以定义多种材料，每种材料设定一个材料编号。(3)划分网

5、格(节点和单元)网格划分包括①定义单元属性(单元类型、实常数、材料属性);②设定网格尺寸控制;③执行网格划分。2.施加载荷并求解(1)施加载荷及载荷选项、设定约束条件载荷可以施加在实体模型，也可以施加在有限元模型(节点和单元)上，无论采取何种加载方式，ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型上。因此，加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上。(2)求解一般在求解前，需要设置求解类型、载荷步选项、然后选择是从当前载荷步还是从载荷文件中读取求解数据，是全局求解还是局部求解。3.查看结果(1)查看分析结果ANYSS有两个后处理器:通用后处理器(POST)I和时间一历程后处理器(PO

6、ST26)。通用后处理器POSTI只能查看整个模型在某一时间点或频率点上的值。时间一历程后处理器(POST26)可查看模型在不同时间段或子步历程上的结果，常用于处理瞬态或动力分析结果。(2)检查结果(分析是否正确)验证分析的结果，在任何有限元分析中无疑将是最重要的步骤。在开始任何分析以前，应该至少对分析的结果有粗略的估计(来自经验、试验等)。如果和预期的不一样，应该查找原因。完整的有限元分析流程图如图贷款哈偶家地方建立有限元模型单元类型材料性质直接或间接生成有限元网格决定分析项目决定分析的边界条件、几何结构。外力获取材料性质加载并求解输出分析结果结果是否合理问题解决或得到最佳设计进行

7、改进处理否是3.3钢锭凝固过程温度场数值模拟描述瞬态温度场的偏微分方程揭示了物体的温度场与空间及时间的关系，但是它并不能直接表明物体即钢锭在凝固时和钢锭模被加热时的具体温度场。还必须具备能使导热现象被单一的确定下来的各种条件，通常称为单值性条件。使这些条件也以恰当的数学表达式加以描述，使微分方程加上足够的单值条件联合求解，才能确定某个具体的温度场。这些单值性条件，包括几何形状的处理、热物性值、潜热处理、初始条件和边界条件等五个方面。3.3.1钢锭与钢锭模的