1、金属型铸造温度场模拟摘要：金属型铸造的凝固过程温度场分布直接影响着铸型寿命和铸件质量。本设计采用ANSYS软件，通过导入实体模型、网格划分、加载求解等过程生成有限元模型对铸造温度场进行模拟。实验结果表明：在金属型铸造过程中，金属型预热温度不同，金属型材料导热系数不同，金属型材料密度不同，都会影响铸造温度场分布，从而影响金属型的寿命和铸件质量。通过对模拟结果的分析，可知其他因素一定时，灰铸铁金属型的初始预热温度越高，一定时间内铝合金铸件及金属型温度越高;其他因素一定时，金属型导热系数变化时，导热系数越高，铸件及金属型温度越低;其他因素一定时，仅改变金属型密度，密度越高，铸件及金属型温度越低。这些
2、结论可以为铸型的变形、开裂倾向和铸件的裂纹，冷隔等缺陷的预测提供依据。关键词：金属型铸造，温度场分布，ANSYS软件，铸造缺陷The metal mold casting temperature field simulationAbstract：Metal mold casting during solidification temperature field distribution directly affects the life of mold and casting quality. This design USES the ANSYS software, through the i
3、mport entity model, meshing, loading process to generate finite element model to simulate the temperature field of casting. The experimental results show that in the process of metal mold casting, metal mold preheating temperature, metal mold material coefficient of thermal conductivity, metal mold
4、material density is different, will affect the casting temperature field distribution, so as to affect the service life of metal mold and casting quality. Through the analysis of simulation results, when other factors must be grey cast iron metal type of initial preheating temperature is higher, the
5、 aluminum alloy castings and metal mold temperature within a certain time is higher; Other factors must be, metal mold thermal conductivity changes, the higher the coefficient of thermal conductivity, casting and metal mold temperature is lower; Other factors must be, just change the density of meta
6、l mold, the higher density, lower casting and metal mold temperature. These conclusions can provide mold deformation, cracking tendency, and the casting crack, provides the reference for the prediction of defects such as cold insulation.Keywords: metal mold casting, the temperature field distributio
7、n, the ANSYS software, the casting defect目 录1绪论11.1问题的提出和研究意义11.2研究现状11.3本文研究目的和研究内容32 ANSYS软件组成42.1 ANSYS简介42.2 ANSYS软件组成43建立有限元73.1数值模拟过程分析73.1.1模拟方案的确定73.1.2定义材料73.1.3定义参数83.2数值模拟内容93.2.1建立工作文件名和工作标题93.2.2定义单元类型93.2.3定义材料属性93.2.4创建几何模型、划分网格103.3 加载求解123.4 查看求解结果164 数值模拟结果与讨论194.1金属型预热温度对铸造温度场的影响分
8、析194.2金属型导热系数对铸造温度场的影响分析224.3金属型密度对铸造温度场的影响分析25结论29参考文献30致谢31 II1绪论1.1问题的提出和研究意义铸造是制造业的基础,也是国民经济的基础产业,各行业都离不开铸件,从汽车、机床,到航空、航天、国防以及人们的日常生活。没有高质量的铸件,就不可能有好的装备1。金属型铸造过程包括许多用肉眼难以直接观察，对铸件质量产生重要影响的物理、化学作用。长期以来由于缺乏直接考察这一过程的有效手段，在生产各类铸件时，主要凭技术人员的经验进行铸造工艺设计和铸件质量分析，铸造水平长期停留在凭经验组织生产阶段。尤其在大批、大量铸件生产之前，一般先试制35件，解
9、剖分析，修改铸造工艺，再试制，再解剖检查，确认铸造工艺没问题后，才批量生产。因此，存在新产品试制周期长、工装调修量大、铸件质量不稳定、生产成本高等一系列问题，已经满足不了市场经济发展的需要。针对上述问题，近年来,计算机已经介入铸造这一古老而又落后的行业。利用计算机这种先进的方法对铸造凝固过程进行数值模拟,可以预测缩孔、缩松出现的可能性。如果能在实际生产前就对铸件在浇注、凝固过程中可能产生缺陷的部位、大小及发生时间进行有效的预测，进而对现有工艺进行优化分析，从而在实际生产前就采取对策，确保铸件质量，这无疑对铸造生产来说具有非常重要的意义2。通过计算机数值模拟技术在生产中的应用，提高了铸件质量，缩
10、短了产品研制周期，节约了材料成本，取得了可观的效益3。1.2研究现状金属型铸造是利用重力将液态金属合金浇注入金属材质的铸型中，并在重力的作用下凝固成型以获得铸件的一种铸造方法。在永久型铸造中，金属型铸造是应用最广泛的方法，特别是铝合金的金属型与砂型铸造已居于同等重要的地位。由于金属型铸件的质量(机械性能、针孔度，尺寸精度与表面光洁度等)显著地优于砂型铸件，同时，金属型的寿命(浇注次数)很长，可达数千次到数万次，因此在中小型铸件的成批生产中，大都采用金属型铸造4 .铝合金件金属型铸造方法由于其生产率高、劳动环境清洁、铸件表面光洁和内部组织致密等有点而被广泛应用，尤其是汽车发动机部件，日、美、英、
11、德和意等工业发达国家很多采用金属型浇铸方法生产汽车发动机铝缸体，铝缸盖和铝活塞。近几年，我国许多厂家也引进先进金属型设备或自制设备生产汽车发动机缸盖、进气管和活塞等铝铸件。金属型铸铝技术也广泛应用于航天、航空、高压电器、电力机械以及仪器仪表等行业。铝合金件金属型铸造与其他一些铸造方法（压铸、低压铸造和砂型铸造等）相比主要具有如下几个方面的优势：几何尺寸和金相组织等综合质量好；较低压及高压铸造工艺灵活。可生产较复杂铸件；更有利于大批量生产，实现高度自动化和简化维修：在同等生产规模下，与高压铸造、低压铸造相比，铸造设备和金属型等工装的一次性投资更低5。在设计金属型及制订铸造工艺方案时，必须考虑到它
12、的特点，这样才能合理地解决铸型结构和铸造工艺问题获得质量优良的铸件。和砂型比较起来，金属型具有下列一些特点：(1)金属型材质的导热系数和热容量很大，使浇入的液态金属很快冷却，迅速地丧失了流动性，；降低了充填铸型的能力。故铸型使用时必须加热到一定的高乱并且各浇注周期之间应保持热平衡。(2)金属型对于铸件凝固冷却产生的收缩没有退让性，容易使铸件产生很大的内应力，甚至可能产生变形和裂纹故要求能迅速地拔芯和取出铸件。同时也使得能应用的铸造合金受到限制，某些易热裂的合金不适宜采用金属型铺造。(3)金属材料无透气性，必须在结构上采用特殊的措施，来排出型腔中的空气和砂芯发生的气体。(4)金属型能采用垂直及互
13、相垂直的分型面或多分卫面的结构，有更大的可能来满足对铸型结构的要求，使铸造工艺更趋合理。(5)金属型铸造是多次重复浇注，所以铸件出型时不允许损坏铸型也不应使铸件本身受到损伤。为此铸型上常常采用多种活块、或多分面的结构。(6)金属型铸件的冷却条件可以方便地利用涂料进行调整。采用这种工艺措施，可获得更完好的而且冶金质量更高的铸件。(7)金属型制造复杂，成本高，必须从结构上和工艺上保证它有足够长的寿命，这样在经济上才合算6。1.3本文研究目的和研究内容本文属于瞬态热分析问题。选取铝合金铸件和灰口铸铁金属型横截面作为几何模型，以铸件凝固过程的温度场数值模拟为研究对象进行求解。采用有限元法，利用ANSY
14、S软件分别模拟金属型预热温度、金属型材料导热系数、金属型材料密度对铸造温度场分布的影响，将铸件凝固过程的温度场真实直观地展现出来，并结合缺陷的产生机理，对具体铸件进行缺陷预测。2 ANSYS软件组成2.1 ANSYS简介ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, AutoCAD等,是现代产品设计中的高级CAD工具之一9。2.2 ANSYS软件组成软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供
15、了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出10。（1）前处理模块PREP7双击实用菜单中的“Preprocessor”，进入ANSYS的前处理模块。这个模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。实体建模:ANSYS程序提供了两种实体建模方法：一种是自底而上，另一种是自顶而下。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的
