基于ANSYS的相變分析 

相變：

術語

理論

材料特性

瞬態(tài)分析指南

例題 - 飛輪的鑄造：

使用熱焓材料特性

通用后處理

時間歷程后處理

 

相 - 物質的一種確定原子結構形態(tài)，均勻同性。

有三種基本的相:

相變 - 系統(tǒng)能量的變化(增加或減少)可能導致物質的原子結構發(fā)生改變。 通常的相變過程稱為固結，溶化，汽化或凝固。

ANSYS涉及相變的重要有限元應用有:

液體的凝固或固結

固體的溶化

液-汽 相變問題需要的熱傳遞分析后進行流體分析。

許多計算流體動力學軟件可以處理液-汽流動和相變。

相變分析必須使用瞬態(tài)熱分析求解。

本章主要講解典型的相變問題：金屬的凝固過程。

當物質相變時，溫度保持不變。

例如，冰在 0 °C 準備溶解。

熱量輸入冰中，冰轉化為水。

冰完全轉化為水時，溫度還是0 °C。

當溫度不變時，熱量到哪里去了?

熱量在物質粒子狀態(tài)改變過程中被吸收了。

在物質相變種需要的熱量稱為溶化的 潛在熱量 。

相變分析必須考慮材料的潛在熱量。

熱焓材料特性(ENTH)用來計入潛在熱量。

熱焓由密度和比熱得出，在相變分析中應作為材料特性輸入。

模型中其它材料應輸入密度和比熱數(shù)值。

只要定義材料的比熱和密度或熱焓；而非全部。

熱焓數(shù)值隨溫度變化。因此，熱分析是非線性的。

在相變分析中，熱焓數(shù)值必須作為材料特性輸入。

經典(熱動力學) 熱焓數(shù)值單位是能量單位，為kJ 或BTU。單位熱焓單位為能量/質量，為kJ/kg 或BTU/lbm。

ANSYS熱焓材料特性單位為 能量/體積，為KJ/m3或 or BTU/ft3.

如果熱量/體積熱焓數(shù)值在某些材料中不能使用時，它可以用密度、比熱和物質潛在熱量得出。

在相變分析中，固體和液體并存的情況下，溫度會有很小的變動。

物質完全呈現(xiàn)液態(tài)的溫度 (液體溫度)為 Tl。

物質完全呈現(xiàn)固態(tài)的溫度 (固體溫度)為 Ts.

通過這樣兩個溫度，潛在熱量效果包括進有限單元生成過程中。

系統(tǒng)產生相變時，其控制方程如下:

進行相變分析時，使用:

打開時間積分的瞬態(tài)分析。

時間步初始數(shù)值較小，時間步也很小。

自動時間步。

低階單元類型 (PLANE55 或SOLID70)。

如果選擇的高階單元，打開對角比熱矩陣選項。

在求解相變問題時，可以使用以下方法改進收斂性:

1. 反向歐拉 時間積分 (反向微分)。瞬態(tài)積分參數(shù) (theta) 為1.0。  這在求解控制打開時是缺省設置。

2. 線性搜索 工具, 因為相變是高度非線性問題。

相變分析的結果可能包括:

溫度 vs. 時間 (時序圖)。

完全相變所需時間 (溶化或凝固時間)。

物質在任何時間間隔溶化/凝固的預測 (通過溫度云圖)。

這些結果對評估相變過程中的設計參數(shù)很有用 (如，在鑄造過程中的溶化材料或壁厚)。

為了說明上述的概念和理論，我們研究一些飛輪鑄造的凝固過程:

問題描述:

對鋁制飛輪的鑄造過程作相變分析。飛輪是將溶解的鋁注入沙模中制造的。

分析目的:

研究飛輪凝過程。

飛輪鑄造例題-指南

部件在圓柱省沙模(高20厘米，半徑25厘米)中間。

鋁在750 °C時注入沙模。

沙模初始溫度為 25 °C。

模型頂面和側面與沙模通過自由對流交換熱量。

環(huán)境溫度為 30 °C ，側面換熱系數(shù)為 7.5 W/m2-°C ，頂面換熱系數(shù)為5.75 W/m2-°C 。

鑄造模型為軸對稱。

沙的熱材料特性假設為均勻，鋁隨時間變化。

飛輪幾何尺寸:

 沙模幾何尺寸:  

飛輪模型

 沙模模型:  

本模型使用一種單元類型: PLANE55, 軸對稱。

兩種材料: 鋁(帶有相變) 和沙 (均勻材料特性).

使用靜態(tài)分析確定初始溫度:

沙模為 25 °C

鋁 750 °C

(同樣可以使用 IC命令得到)

沙模外側面和頂面有對流。

在底面和中心線無邊界條件(絕熱)。

瞬態(tài)載荷步在刪除初始溫度后開始。

打開時間積分。使用反向歐拉時間積分。

打開線性搜索工具。

終止時間為 2400 秒(40分)。

初始時間步為0.01秒。最小和最大時間步分別設為0.0001和100秒。

打開自動時間步長。

 使用時間歷程后處理器繪制鋁在幾個點的溫度 (T1, T2, T3 and T4) :  

通用后處理器可以用來觀察材料凝固前的情況。操作如下:

設置兩個范圍值，一個時固體溫度(695 °C) , 一個超過最高溫度 (900 °C)。

在節(jié)點溫度圖上，凝固的材料接近藍色。紅色代表液體或正在相變的材料。

 ?在時間 = 656秒時，顯示只有最細部分的材料凝固了:  

 在時間 = 956 秒時，顯示幾乎所有材料已經凝固。象推測的一樣，中心材料凝固最慢:  

附件為ppt全文以及詳細的apdl命令流

tomorrow.txt

相變分析.rar