二维凝固过程分析-ansys.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,二维凝固过程分析,学科,:,热力学,分析类型,:,非线性瞬态分析,使用的单元类型,:,PLANE55,问题描述,这是一个铸造过程的瞬态热传递分析.其目的是跟踪钢铸造过程中的温度分布和凝固过程中铸模的温度分布,发生的这些将跨越3个小时的时段.铸造过程是在4英寸壁厚L型沙型模中进行.在沙型模和周围空气之间产生对流.,基本参数,Material Properties for Sand,Conductivity(KXX),传导,0.025 Btu/(hr-in-,o,F),Density(DENS),0.054 lb/in,3,Specific heat(C),0.28 Btu/(lb-,o,F),Conductivity(KXX)for Steel,at 0,o,F:1.44 Btu/(hr-in-,o,F),at 2643,o,F:1.54,at 2750,o,F:1.22,at 2875,o,F:1.22,Enthalpy(ENTH)for Steel,at 0,o,F:0.0 Btu/in,3,at 2643,o,F:128.1,at 2750,o,F:163.8,at 2875,o,F:174.2,Initial Conditions,Temperature of steel:,2875,o,F(1565),Temperature of sand:80,o,F,Convection Properties,对流,Film coefficient:,0.014 Btu/(hr-in,2,-,o,F),Ambient temperature,80,o,F,方法和假设,将进行单位厚度层的 2-D 分析.采用一半对称面以减小模型的尺寸.其下半部分用于建立模型.,铸模材料（沙子）具有恒定材料特性,.,浇铸件（钢）具有随温度变化的热传导率和热焓,;,两者都在与温度数值表中输入,.,热焓性能表记录当金属凝固时其储存潜热的能力,.,辐射的影响忽略不计,.,使用求解控制以建立几个非线性选择,包括自动求解时间步,.,自动求解时间步确定使相变非线性收敛所必须的恰当的时间步增量,.,这意味着从熔融金属到凝固状态的瞬态将采用较小的时间步尺寸,.,1.,定义关键点,.,利用本问题的对称性,仅对“L.”的一半建立模型。首先,通过定义梯形的四个角点，然后定义连接四个角点的面来建立表示模型的轮廓。,1.,Main Menu:Preprocessor-Modeling-Create Keypoints In Active CS,2.,Enter 1 for keypoint number-,3.,Enter 0,0,0 for coordinate locations-,4.,Apply,to define keypoint 1(keypoint will be at 0,0,0)-,5.,Enter 2 for keypoint number-,6.,Enter 22,0,0 for coordinate locations-,7.,Apply,to define keypoint 2-,8.,Enter 3 for keypoint number-,9.,Enter,10,12,0 for coordinate locations-,（续）,10.,Apply,to define keypoint 3-,11.,Enter 4 for keypoint number-,12.,Enter 0,12,0 for coordinate,locations-,13.,OK,-,14.,Utility Menu:,PlotCtrls,Window Controls Window Options,15.,Set location of triad to Not shown-,16.,OK-,2.,生成铸模和凝固金属的面,现在通过连接四个关键点生成铸模的面,.,1.,Main Menu:Preprocessor-Modeling-Create-Areas-Arbitrary Through KPs,2.,Pick keypoints 1 through 4 in sequential order.You can see the lines form as you pick.,3.,OK to create area(in picking menu),4.,Toolbar:SAVE_DB,生成铸坯的面，从第一个面中“扣除”。通过建立一个初始四边形覆盖面（布尔操作）然后删除其上的多余面。,（续）,14.,Main Menu:Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Overlap Areas,15.,Pick All to choose both areas for overlapping-,16.,Main Menu:Preprocessor-Modeling-Delete Area and Below,17.,Pick area 3,18.,OK(in picking menu)to delete area 3,19.,Toolbar:SAVE_DB,3.,Define Materials,将沙子铸模的性能定义为材料号1,.,这些不是温度的函数,.,1.,Main Menu:Preprocessor Material Props-Constant-Isotropic,2.,OK to define material number 1-,3.,Enter 0.054 for DENS-,4.,Enter 0.025 for KXX-,5.,Enter 0.28 for C-,6.,OK-,（续）,首先定义与温度相关的热传导系数,.,14.,Scroll down and choose Th conductivity-,15.,Choose KXX-,16.,Enter 2 for Material reference number-,17.,Enter 1.44 for C1-,18.,Enter 1.54 for C2-,19.,Enter 1.22 for C3-,20.,Enter 1.22 for C4-,21.,Apply-,然后,定义与时间温度相关的热焓,.,22.,Choose Enthalpy-,23.,Enter 2 for Material reference number-,24.,Enter 0 for C1-,25.,Enter 128.1 for C2-,26.,Enter 163.8 for C3-,27.,Enter 174.2 for C4-,28.,OK-,5.,设置参数选择,6.,Main Menu:Preprocessor Material Props-Temp Dependent-Graph,7.,Choose Enthalpy-,8.,Enter 2 for Material number-,9.,OK-,10.,Toolbar:SAVE_DB,Generate Mesh,1.,Main Menu:Preferences,2.,Turn on Thermal filtering-,3.,OK-,6.,定义单元类型,1.,Main Menu:Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete,2.,Add an Element Type-,3.,Choose Thermal,Solid,family of elements-,4.,Choose the 4-noded quad(PLANE55)-,5.,OK-,6.,Close-,7.,Toolbar:SAVE_DB,（续）,在划分浇铸金属面积之前,设置钢的材料属性(材料 2).,8.,Choose Global,Set for Element Attributes,-,9.,Set Material number to 2,-,10.,OK,-,11.,Utility Menu:Plot Areas,12.,Click on Mesh,-,13.,Pick area 4,14.,OK(in picking menu),15.,Close the MeshTool-,16.,Utility Menu:Plot Elements,（续）,注意,:,得到的网格可能与这里显示的网格略有不同,.,因此,在后处理中可看到略有不同的结果,.,为验证单元有正确的材料号,对不同的单元材料用不同的颜色进行画图,.,17.,Utility Menu:PlotCtrls Numbering,18.,Change to Element numbering by Material numbers-,19.,OK-,注意,:,材料,1,的单元形成沙子铸模,.,材料,2,的单元形成铸钢,.,可以画出以不同的颜色显示的不同材料而不必显示相关的材料号,.,20.,Utility Menu:PlotCtrls Numbering,21.,Change to Numbering shown with colors only,22.,OK-,23.,Toolbar:SAVE_DB,8.,施加载荷,施加对流系数到固体模型的线上,.,加在固体模型实体上的载荷在求解过程中自动地转换到有限元模型上,.,1.,Utility Menu:Plot Lines,2.,Main Menu:Preprocessor Loads-Loads-Apply-Thermal-Convection On Lines,3.,Pick the three lines that are exposed to ambient air,4.,OK(in the picking menu),5.,Enter 0.014 for Film coefficient-,6.,Enter 80 for Bulk temperature-,7.,OK-,8.,Toolbar:SAVE_DB,9.,定义分析类型,1.,Main Menu:Solution-Analysis Type-New Analysis,2.,Choose Transient for Type of analysis-,3.,OK-,4.,OK to accept the default of a Full transient analysis-,10.,检查求解控制,这个指南的方法和假设部分论及求解控制可用于几种非线性选择,可指导你进入求解控制的在线帮助，故可详细检验该特性,.,你可以通过点击非线性求解控制对话框中的帮助按钮来进入帮助主题,.,帮主主题然后替换网页浏览器中的这部分内容,.,注意,:,如果你用浏览器的返回按钮练习该问题,则重新初始化,ANSYS,指南,点击指南目录按钮,点击热学指南,然后点击第10步,.,检查求解控制,.,在处理前可以纪录下这些步骤，因为显示帮助主题时这些步骤并不出现,.,1.,Main Menu:Solution-Load Step Opts-Solution Ctrl,2.,Note that solution control is on by default-,3.,Click on Help to read the details about solution control-,4.,Scroll through the help topic as needed-,5.,Click the Back button on the web browser to return to the tutorial-,6.,Cancel to remove the dialog box-,（续）,12.,Main Menu:Solution-Loads-Apply Initial Conditn Define,13,.,Pick All to use all,selected,nodes-,14.,Choose TEMP for DOF to be specified-,15.,Enter 2875 for initial value of DOF-,16.,OK-,17.,Utility Menu:Select,Entities,18.,Invert(This is an action command;the selected set of nodes is immediately inverted.)-,19.,Cancel to close the Select Entities dialog box-,20.,Utility Menu:Plot Replot,（续）,21,.,Main Menu:Solution-Loads-Apply Initial Conditn Define,22.,Pick All to use all,selected,nodes-,23.,Enter 80 for Initial Value of DOF-,24.,OK-,记住当完成选择节点时经常选择,Everything!,25.,Utility Menu:Select Everything,26.,Toolbar:SAVE_DB,12.,设定时间，时间步及相关参数,1.,Main Menu:Solution-Load Step Opts-Time/Frequenc Time-Time Step,2.,Enter 3(hours)for Time at end of load step-,3.,Enter 0.01 for initial time step size-,4.,Choose Stepped loading-,5.,Enter 0.001 for Minimum time step size-,6.,Enter 0.25 for Maximum time step size-,7.,OK-,沿边界条件模拟,2875,o,F,下的铸溶金属与环境温度下铸模的突然接触,.,程序将根据系统中非线性的激烈程度选取自动时间步以使时间步长得到修正,(,例如,当经过相变区时将采取较小的时间步,).,最大和最小施加步长表示对该自动过程的限制,.,14.,求解,1.,Main Menu:Solution-Solve-Current LS,2.,Review the information in the status window,then chooseFile Close(Windows),or Close(X11/Motif),to close the window-,3.,OK to initiate the solution-,4.,Close the information window when solution is done-,当,ANSYS,正进行求解分析时,图示求解跟踪监控器,(GST),将作为,“,累积迭代次数,”,的函数绘制,“,绝对收敛模量,”.,注意求解假设为对小于或等于收敛准则的值已经收敛,15.,进入时间历程后处理器及定义变量,使用时间历程后处理器查看在铸件中某一点温度随时间的变化,(,在对称面上,).,1.,Main Menu:TimeHist Postpro,2.,Utility Menu:PlotCtrls Numbering,3.,Turn on Node numbers-,4.,Numbering shown with colors and numbers-,5.,OK-,6.,Utility Menu:Plot Elements,（续）,11,.,Main Menu:TimeHist Postproc Define Variables,12.,Add-,13.,OK for nodal DOF results-,14.,Pick center point node,15.,OK(in the picking menu),16.,Enter center for user-specified label-,17.,OK-,18.,Close-,16.,绘制时间温度曲线,1.,Main Menu:TimeHist Postpro Graph Variables,2.,Enter 2 for 1st variable to graph-,3.,OK to plot the results at cntr_point as a function of time-,注意从该图可得凝固区大约在,2643,o,F,和,2750,o,F,之间,.,图形可能有微小变化,.,17.,建立动画显示结果,下一步,动画显示熔化金属的凝固,.,为更好显示凝固过程,制定三个等值线区,.,一个显示熔融金属,(T,大于,2750,o,F),一个显示已凝固金属,(T,小于,2643,o,F),第三个表示两者间的所有区域,.,但是,为形成动画,必须进入通用后处理器并读取第一步的结果,.,1.,Main Menu:General Postproc-Read Results-First Set,2.,Utility Menu:PlotCtrls Numbering,3.,Turn off Node numbers-,4.,No numbering of the elements-,5.,Do not replot-,6.,OK-,7.,Utility Menu:Plot Elements,（续）,8.,Utility Menu:PlotCtrls Style Contours Non_uniform Contours,注意，如同在对话框左上角的括弧内所表示的,指定不规则等值线的命令是,/CVAL,.,随后可使用这个命令设置缺省状态下的等值线,.,9.,Enter 2643 to specify V1,the upper bound of the first contour-,10.,Enter 2750 to specify V2,the upper bound of the second contour-,11.,Enter 3000 to specify V3,the upper bound of the third contour-,12.,OK,18.,动画结果显示,对,UNIX,系统应注意,:,为在最后分段内存中建立动画顺序,有必要减少图形窗口的尺寸以免用尽全部内存,虽然这依赖拥有的系统和生成的动画文件的尺寸,在本练习中推荐初始窗口尺寸与减小的窗口尺寸之比为大约,2:1.,Procedure on all systems:,1.,Utility Menu:PlotCtrls Animate Over Time,2.,Enter 30 for the number of frames to be created-,3.,Turn off Auto Contour Scaling-,4.,OK-,在动画中,注意三个不同的颜色,红色,为温度大于,2750,o,F(,熔融金属,),绿色,为温度在,2643,o,F,和,2750,o,F,之间,(,固液相转换区,),蓝色,为温度低于,2643,o,F(,已凝固的金属和沙型,).,如同所期望的,最后凝固的区域是铸件中心的材料,.(,应注意所使用的是对称模型,.),（续）,5.,Make choices in the Animation Controller(not shown),if necessary,then choose Close,为通过模型在3小时的跨越时间上显现温度的分布,用缺省的等值线设置来模拟温度的分布,.,为将等值线设置该回到其缺省值,可在,ANSYS,输入窗口简单地输入,/CVAL,.,注意,/CVAL,是所示用的设置非均匀等值线的较早的命令,.,通过回到非均匀等值线窗口并将所有数值设置为零可得到同样的结果,.,6.,Type/CVAL and press the Enter/Return key-,7.,Utility Menu:PlotCtrls Animate Over Time,8.,OK-,9.,Make choices in the Animation Controller(not shown),if necessary,then choose Close,19.,退出ANSYS程序,1.,Toolbar:QUIT,2.,Choose to Save Everything-,3.,OK-,即使已经退出了,ANSYS,程序,应然可以,用,ANSYS ANIMATE,程序,来观看动画,.ANIMATE,程序仅运行于,PC,机并对如下很有用,:,在PC机上观看,ANSYS,动画而不管文件是在PC机上产生,(AVI,文件,),还是在,UNIX,工作站上产生,(ANIM,文件,).,将,ANIM,文件转换成,AVI,文件,.,通过网页传送动画,