工程力学及有限元分析 相变分析简介.ppt

* * * * * * * * * * * * * 例题 - 飞轮铸造分析 使用时间历程后处理器查看时间步。 例题 - 飞轮铸造分析 使用时间历程后处理器绘制铝在几个点的温度 (T1, T2, T3 and T4) : 例题 - 飞轮铸造分析 使用时间历程后处理器绘制沙模在几个点的温度: 例题 - 飞轮铸造分析 通用后处理器可以用来观察材料凝固前的情况。操作如下: 设置两个范围值，一个时固体温度(695 °C) , 一个超过最高温度 (900 °C)。 在节点温度图上，凝固的材料接近蓝色。红色代表液体或正在相变的材料。 例题 - 飞轮铸造分析 在时间 = 656秒时，显示只有最细部分的材料凝固了: 例题 - 飞轮铸造分析 在时间 = 856 秒时, 显示大部分材料已经凝固: 例题 - 飞轮铸造分析 在时间 = 956 秒时，显示几乎所有材料已经凝固。象推测的一样，中心材料凝固最慢: * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 相变分析简介 相变 术语 理论 材料特性 瞬态分析指南 例题 - 飞轮的铸造 使用热焓材料特性 通用后处理 时间历程后处理 相 - 物质的一种确定原子结构形态，均匀同性。 有三种基本的相: 相变 - 系统能量的变化(增加或减少)可能导致物质的原子结构发生改变。 通常的相变过程称为固结，溶化，汽化或凝固。 术语 Gas Liquid Solid ANSYS 应用性 ANSYS涉及相变的重要有限元应用有: 液体的凝固或固结 固体的溶化 液-汽 相变问题需要的热传递分析后进行流体分析。 许多计算流体动力学软件可以处理液-汽流动和相变。 相变分析必须使用瞬态热分析求解。 本章主要讲解典型的相变问题：金属的凝固过程。 潜在热量 当物质相变时，温度保持不变。 例如，冰在 0 °C 准备溶解。 热量输入冰中，冰转化为水。 冰完全转化为水时，温度还是0 °C。 当温度不变时，热量到哪里去了? 热量在物质粒子状态改变过程中被吸收了。 在物质相变种需要的热量称为溶化的 潜热 。 热焓 相变分析必须考虑材料的潜在热量。 热焓材料特性(ENTH)用来计入潜在热量。 热焓由密度和比热得出，在相变分析中应作为材料特性输入。 模型中其它材料应输入密度和比热数值。 只要定义材料的比热和密度或热焓；而非全部。 热焓数值随温度变化。因此，热分析是非线性的。 热焓(续) 在相变分析中，热焓数值必须作为材料特性输入。 经典(热动力学) 热焓数值单位是能量单位，为kJ 或BTU。单位热焓单位为能量/质量，为kJ/kg 或BTU/lbm。 ANSYS热焓材料特性单位为 能量/体积，为KJ/m3或 or BTU/ft3. 如果热量/体积热焓数值在某些材料中不能使用时，它可以用密度、比热和物质潜在热量得出。 相变 在相变分析中，固体和液体并存的情况下，温度会有很小的变动。 物质完全呈现液态的温度 (液体温度)为 Tl。 物质完全呈现固态的温度 (固体温度)为 Ts. 通过这样两个温度，潜在热量效果包括进有限单元生成过程中。 潜热和比热的关系 潜热 Tl Ts H “模糊区” Ts = 固体温度 Tl = 液体温度 注: 本图中, Tl -Ts 很小。对于纯材料， Tl -Ts 应该为0。 相变时热焓变化相对温度变化而言十分迅速。 T 控制方程 不随相变改变 此处计入相变 系统产生相变时，其控制方程如下: 相变分析的求解 进行相变分析时，使用: 打开时间积分的瞬态分析。 时间步初始数值较小，时间步也很小。 自动时间步。 低阶单元类型 (PLANE55 或SOLID70)。 如果选择的高阶单元，打开对角比热矩阵选项。 相变分析的求解 (续) 在求解相变问题时，可以使用以下方法改进收敛性: 1. 反向欧拉 时间积分 (反向微分)。瞬态积分参数 (theta) 为1.0。 这在求解控制打开时是缺省设置。 2. 线性有哪些信誉好的足球投注网站 工具, 因为相变是高度非线性问题。 后处理 相变分析的结果可能包括: 温度 vs. 时间 (时序图)。 完全相变所需时间 (溶化或凝固时间)。 物质在任何时间间隔溶化/凝固的预测 (通过温度云图)。 这些结果对评估相变过程中的设计参数很有用 (如，在铸造过程中的溶化材料或壁厚)。 例题 - 飞轮铸造分析 问题描述: 对铝制飞轮的铸造过程作相变分析。飞轮是将溶解的铝注入沙模中制造的。 分析目的: 研究飞轮凝过程。 为了说明上述的概念和理论，我们研究一些飞轮铸造的凝固过程: ANSYS 命令流文件在附录 B中。 例题 - 飞轮铸造分析 飞轮铸造例题-指南 部件在圆柱省沙模(高20厘米，半径25厘米)中间。 铝在750 °C时注入沙模。 沙