ANSYS文献有用资料

ANSYS压铸模温度场及应力场数值模拟

Numerical Simulation on Temperature and Stress Field of Dies

Using ANSYS

摘要:采用有限元软件ANSYS对压铸模在初期压铸过程中模具型芯温度场及应力场的分布情况进行数值模拟,得到压铸模型芯温度场与热流分布图和最大应力分布图。并利用ANSYS软件分析了冷却水管的作用以及预热对模具温度梯度的影响。 关键词:ANSYS;温度场;应力场;压铸模型芯

压铸模的费用很高,中等大小的铸件所用的压铸模费用在2～15万人民币,大型铸件和形状复杂的零件所需的压铸模费用则更高。因此,如何提高压铸模的寿命是关键[1]。压铸模具的使用寿命在很大程度上取决于其在压铸过程中热应力和其产生的变形,采用有限元数值模拟的方法分析保压过程的传热现象,对模具的温度梯度、温度场分布、应力分布有了新的认识方法,得到铸件和模具在工作中的温度场的分布,温度梯度及最大主应力,为优化模具结构和压铸工艺提供依据。

1模具材料及压铸工艺

目前用压铸法生产的铝合金铸件最多,约占90%,因此本文选择铝合金为压铸件材料。选用的压铸件平均壁厚为10 mm,形状如图1所示的壳体。其工作温度为600℃左右,铝合金液压入型腔的速度为45 m/s～180 m/s,因此在模拟过程中忽略充填时间,认为合金瞬间充满型腔。

型芯的材料为3Cr2W8V;本研究中涉及的参数包括[2]:①密度为7740 kg/m3;②正弹性模量E=214 000 N/mm2;③泊松比λ=0.466;④热导率、线膨胀系数随温度变化,

表1、2所示。

表1 3Cr2W8V的热导率 温度/℃ 100 200 700 热导率[W/(m·K)] 20.1 22.2 24.3 表2 3Cr2W8V线膨胀系数 温度/℃ 20～100 20～200 20～300 20～400 20～500 20～600 线膨胀系数a×10-6℃ 12.0 12.3 12.7 13.1 13.5 13.9

2温度场分析

有温度差存在的地方,就会有热量自发地从高温物体或区域传向低温物体或区域。考虑三种经典热量传热方式:铸件与模具间主要以热传导的方式传递热量;模具与周围环境主要以热辐射(合金表面的热辐射系数一般为0.22～0.4[3])与热对流的方式传递热量;冷却水管与模具间主要考虑热对流与热传导。 2.1 ANSYS分析结果

由于此次分析选择的铸件与型芯结构简单、均为轴对称实体,所以将其简化为二维图形进行分析。应用ANSYS中Thermal单元类型建立模型、进行网格划分、载荷加载,并进行求解,最后用通用后处理模块获得铸件型芯的温度分布及热流量矢量图。在此基础上改变单元类型,进行结构分析即可求得压铸模具的热应力分布,进而研究热疲劳对模具寿命的影响以及模具的变形等问题。利用结果浏览器得到在环境温度为20℃,浇注温度为600℃情况下,铸造1s后铸件与型芯的温度场分布图与热流矢量图如图2所示,此图与用温度作载荷,在ADINA结构模块中得到的温度场是完全相同的,且模拟结果与参考文献[4]中基本相同。可以看到图2

中温度分布的不均匀性较为严重,引起较大的热应力。(暂不考虑制件与型芯间的界面层)靠近制件的型芯表层的温度几乎接近制件温度,由于热辐射的作用,距离制件越远温度越低。由热流图(左图黑线所示部分)可见在制件拐角部分的热流最大,该部分有可能是产生最大热应力的部分。模具表层长时间受到金属液在充型和凝固时的强烈冲刷和不断循环的热应力作用将严重影响模具使用寿命。

2.2预热对模具温度的影响

操作前将3Cr2W8V钢制铝合金压铸模进行预热(200℃),可提高其韧性,降低模具表面层的温度梯度和热应力,防止早期开裂。图3(上)所示为预热后模具温度与热流分布图。型芯表面一直在橘黄色范围即360℃左右,整个模具的温度差有80℃左右,较未预热时减小了50℃。热流最大值也有所降低,由原来的60529 W/m2降低到40276 W/m2,这表明炽热金属对模具的热冲 击较未预热时小。研究表明,将模具预热至200℃, 并在模腔上喷涂经加热的石墨水剂,使模温一直保持在200℃～400℃时,模具寿命可提高一倍以上。从ANSYS中可以查看任意节点处的温度,例如模具中心线部分的温度图如图3(下)所示。温度梯度随着距离制件距离的增加而不断减小。梯度越大,说明其在以后使用过程中热疲劳程度越大,在设计型芯过程中可针对主要疲劳区域进行有效的热处理措施。 2.3 ANSYS分析冷却水管对温度的影响

在模具内增设冷却水管可以降低模具表层的温度梯度,降低温度变化对模具的热冲击,及其 产生的热应力。一般大型模具的冷却水管直径为15 mm~20 mm,小型模具一般为8 mm~10 mm,距型腔表面的距离一般为10 mm~30 mm[5],模拟选用距离模具表层20 cm直径为10 cm的水管。图4为不考虑预热,水温为20℃条件下温度与热流分布图。与图2相比,模具整体平均温度降低,梯度减小,热流沿着冷却水管方向流动,带走部分热量。为了减少水管对模具急冷作用,一般应将水加热到30℃～40℃。 3应力场分析

根据材料力学第一强度理论可知:当铸造最大主应力大于金属的强度极限时便会出现裂纹。由于选择的制件厚度一致,只考虑由于热冲击与机械阻力(合金的固态膨胀、收缩受到铸型和芯型的机械阻碍)形成的应力。铸造内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因,其在铸件冷却过程中与热应力共同作用,促进了铸件的裂纹倾向。可用间接法求得型芯的最大主应力分布图,即读取前面热分析的.rth文件进行结构分析。图5为最大主应力分布图,图中上下两条放大的数值标识分别为未预热和预热后的最大主应力数值,预热后应力差相对于未预热时明显减小,从图5可以推测早期裂纹出现的位置。

型芯可以自发地通过变形来减缓其内应力,以便趋于稳定状态。显然,只有原来受拉伸部分产生压缩变形,受压缩部分产生拉伸变形,才能使残余应力减小或消除。所以,设计时尽可能使铸件的壁厚均匀,形成对称;工艺上:采用同时凝固原则,以使冷却均匀采用反变形法(长而易变形的铸件);重要机件进行时效处理:自然时效、人工时效:加热550℃~650℃,进行去应力退火。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vqvv.html