ANSYS相变分析

Chapter9相变分析9-2本章简介•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9-3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GasLiquidSolid9-4ANSYS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。9-5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。–在物质相变中需要的热量称为溶化的潜在热量。9-6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。9-7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orBTU/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。cdTHTcH:toaccording)(retemperatuand),(heatspecific),(densitytorelatedis,Enthalpy,9-8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。9-9潜在热量和比热的关系潜在热量TlTsH“Mushyzone”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。T9-10控制方程dVNNcQTKTTtttCwhere,C:solvedisequationconductionheattransienttheproblems,changephasesolvingWhen.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:9-11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。9-12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.线性搜索工具,因为相变是高度非线性问题。9-13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)。9-14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。9-15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。–沙模初始温度为25°C。–模型顶面和侧面与沙模通过自由对流交换热量。–环境温度为30°C，侧面换热系数为7.5W/m2-°C，顶面换热系数为5.75W/m2-°C。–铸造模型为轴对称。–沙的热材料特性假设为均匀，铝随时间变化。9-16例题-飞轮铸造分析飞轮几何尺寸:9-17例题-飞轮铸造分析沙模几何尺寸:9-18例题-飞轮铸造分析飞轮模型9-19例题-飞轮铸造分析沙模模型:9-20二维轴对称模型例题-飞轮铸造分析9-21沙模特性(常数):热传导系数:0.346W/m-°C密度:1520kg/m3比热:816J/kg-°C铝的热传导系数:Temperature(C)KXX(W/m-C)100206200215300228400249530249800290例题-飞轮铸造分析9-22材料特性图:KXXvs.时间材料2例题-飞轮铸造分析9-23•铝的热焓数据没有直接给出，但我们有如下数据可以计算热焓:•定义热焓材料特性:–选择Ts=695°C和Tl=697°C(在液体和固体两相间给出变化范围)。PropertyValueMeltingPoint696CDensity2707kg/m3Cs,SolidSpecificHeat896J/kg-CCl,LiquidSpecificHeat1050J/kg-CL,LatentHeat3956440J/kg(orfromLxDensity)1.0704e9J/m3例题-飞轮铸造分析9-24例题-飞轮铸造分析在固体温度以下:在固体温度时:lssTTCHTT-)(lssssTTCHTT-9-25例题-飞轮铸造分析对于相变区域:slavglsavgTTLCCCCCC-**:ntransitiosolid-to-liquidforthe,heat,specificequivalentanfindtoL,heat,latenttheand2:heatspecificaveragetheUse9-26例题-飞轮铸造分析在固体和液体温度之间:在液体温度时:超过液体温度时:)(*sslsTTCHHTTT-)(*slsllTTCHHTT-)(llllTTCHHTT-9-27例题-飞轮铸造分析T1HHsHlCsClC*HsTsTlT2TT潜在热量(曲线下的区域)LandUsingcdTρ9-28例题-飞轮铸造分析使用这些关系生成热焓数值，结果为:Temperature(C)Enthalpy(ENTH)(J/m3)006951.6857E96972.7614E910003.6226E99-29例题-飞轮铸造分析绘制材料2(铝)的热焓曲线:9-30例题-飞轮铸造分析•本模型使用一种单元类型:PLANE55,轴对称。•两种材料:铝(带有相变)和沙(均匀材料特性).•使用静态分析确定初始温度:–沙模为25°C–铝750°C(同样可以使用IC命令得到)•沙模外侧面和顶面有对流。•在底面和中心线无边界条件(绝热)。9-31例题-飞轮铸造分析•瞬态载荷步在删除初始温度后开始。•打开时间积分。使用反向欧拉时间积分。•打开线性搜索工具。•终止时间为2400秒(40分)。•初始时间步为0.01秒。最小和最大时间步分别设为0.0001和100秒。•打开自动时间步长。9-32例题-飞轮铸造分析使用时间历程后处理器查看时间步。9-33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,T3andT4):9-34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:9-35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。9-36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:9-37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:9-38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: