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铸造模具/压铸模具 |
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基于PRO/E与ANSYS集成实现的压铸模具温度场仿真 |
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newmaker |
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压铸模具是现代制造业的重要工艺装备。在生产中，其温度场及热应力场为非稳定状态，即随时间变化，各性能参数均发生改变。生产实践证明，压铸模具设计、制造完成之后，即使发现错误。也难以进行较大的修改。所以在模具设计之前就采用数值模拟技术。预测各部位的温度场和热应力场分布及其变化规律。对于优化压铸模具结构设计，提高铸件质量，延长模具使用寿命，降低成本，加快产品的升级换代，均具有重要意义。计算机数值模拟技术的应用，为控制压铸模具温度场及热应力场提供了有效的途径。
压铸模具有限元分析所涉及的实际铸件。其形状都非常复杂，以致数值模拟的前处理阶段，即实体造型和网格剖分往往花费大量时间．影响了计算的精度和效率。因此，迅速而准确地进行实体造型及单元剖分。并使单元剖分与模具和铸件结构形状和数学模型相协调。对提高模拟分析结果的真实性和实用性有着重要的意义。
ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析程序，其分析功能强大。并能有效的求解温度场、散热场以及多场耦合问题；但其实体建模功能有限，只能处理一些相对简单的模型，难以胜任形状复杂的铸件造型。Pro/E是美国PTC公司开发的专业CAD软件，是一个基于特征的实体造型系统。其主要功能在于能进行便捷的参数化设计。通过Pro/E可以快速方便的建立形状复杂的模型。虽然它带有CAE模块，但相比专业的CAE软件还略有不足。因此可行的解决方案是结合两者的优势，在Pro/E中建模，获得尽量逼近真实铸件形状的模型。然后导入ANSYS中进行模拟分析。这样，就可利用压铸模具的温度场仿真来解决实际的工程问题。
1 ANSYS与Pro/E的集成
为将ANSYS直接集成在Pro/E中，使Pro/E生成的模型能完整的导入到ANSYS中。需将ANSYS与Pro/E的接口进行如下的设置：
(1)在同台计算机的同一操作系统下安装有Pro/E和ANSYS两种软件；
(2)保证上述两种软件的版本兼容，Pro/E的版本不得高于同期的ANSYS的版本；
(3)ANSYS 10.0必须和Pro/E wildfire2.0相连；
(4)操作路径为：开始→程序→ANSYS→ANS ADSNUtility→Configuration options→Configuration Connection for Pro/E。单击OK→选择ANSYS Product→Work space；选择Graphics device name(NT：Win32)给Language used with；选择Pro/Engineer installation path，选择megabytes(128)OK；Pro/Engineer：usascii，单击OK完成连接。
(5)运行Pro/Engineer并配置config.pro；
(6)打开Pro/E，菜单栏就会出现：“ANSYS 10.0”选项，ANSYSConconfmg和“ANSYS Ceom”表明ANSYS已经集成在Pro/E之中。
(7)创建一个新零件后，通过执行Pro/E中part菜单下的“ANSYSCeom”，就开始传输；或者是在ANSYS执行File\Import\Pro/E导人文件。
将ANSYS直接集成在Pro/E之中，整个转换过程可以在不脱离Pro/E和ANSYS这两个软件的情况下进行，从而实现了Pro/E和ANSYS无缝连接。这种连接方式导人的模型不会发生变形和线面的丢失，分析计算的精度高。
2 基于集成平台下的压铸模具温度场的有限元分析
一用于铸造工字形梁的压铸模具。其实体造型如图1所示，模具总跨度为0.5m。已知钢水充型前。型腔初始温度为25℃，其周围空气温度为25℃。模具材料与钢的性能参数如表1、2所示，空气对流系数为65W/(m2·℃)。用ANSYS模拟模具与铸件的温度场分布。
图1 铸造工字形梁的模具外观图
2.1 进行有限元分析的前处理
(1)用Pro/E的造型功能模块完成铸造工字形梁的模具的三维造型。为了便于集成环境下的ANSYS进行单位的处理，在Pro/E中制作的铸造工字形梁的模具模型统一使用国际单位制。
(2)模型的导入，在Pro/E中直接启动ANSYS。Pro/E完成建模以后，直接单击主菜单的“ANSYS 10.0”、“ANSYSCeom”。系统会自动打开ANSYS，使用“plot”菜单中的“Volumes”选项，就可以将实体模型显示出来(见图2)。
(3)网格划分(建立有限元模型)。网格划分是建模中非常重要的一个环节，网格划分的好坏将直接影响到计算结果的准确性和计算进度，甚至会因为网格划分的不合理而导致计算不收敛。图3为划分网格后的模型。
(4)设置材料属性。在材料属性对话框中，按照表1、2设置模具材料和钢的性能参数。
2.2 有限元分析的求解处理
(1)添加约束载荷。施加对流边界条件为65W/(m2·℃)，周围空气温度为25℃到加在模具内表面受对流冲击的边界上．将初始温度为25℃施加给铸造工字形梁的模具。
(2)求解。先作稳态分析，确定初始条件，然后进行瞬态分析。将时间步长设置完毕以后就可以由计算机自动完成。
2.3 有限元的后处理与结果显示
后处理是指检查并分析求解结果的相关操作。这也是分析中最重要的环节之一，因为任何分析的最终目的都是为了研究铸造工字形梁模具的温度分布及其受热变形情况。ANSYS提供了多种显示结果的方式，如图形显示、等值线图、轨迹线图、列表显示等。其中图形显示是一种非常直观有效的结果显示方式，并且可以根据不同的分析目的显示不同的分析结果。模拟分析结果如图4～7所示。 
图4 初始温度场分布图5 30s温度场分布
图6 铸件中心点温度随时问变化曲线
图7 模具顶部中心点温度随时间变化曲线
3 总结
(1)建立了两个具有代表性的CAE和CAD软件的集成，可应用ANSYS软件根据不同的生产条件要求，改变不同的参数，并重新执行命令流，就可以得出在不同生产条件(包括浇注温度，模具材料物性和铸造合金热物理性能参数等)下的压铸模温度场数值模拟，其结果为下一步的铸件热应力一应变场的数值模拟提供了信息。
(2)若模拟结果不能满足要求。可以返回Pro/E中进行反复修改，直至完成对模具的优化设计。
(3)这种数值模拟方法节省了大量时间，对铸件成型工艺和模具设计都具有重要意义。可以在工程实际中加以推广应用。(end)
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(3/13/2009) |
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