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1、金属铸造界面传热系数的试验研究及其确定第24卷第10期2007年10月机械设计JOURNALOFMACHINEDESIGNVo1.240ct.No.102007金属铸造界面传热系数的试验研究及其确定解锦婷,陈玲(天津理工大学机械工程学院,天津300191)摘要:金属铸造凝固过程中,在接触界面间会产生热阻.热阻的大小随空间和时间变化,常常主导着热传导的过程,通常将热阻的影响表示为界面传热系数,在温度场数值模拟中,铸件与铸型间的界面传热系数是关键的参数.利用有限元分析软件ANSYS结合试验数据,模拟了铸造凝固过程的温度场,分别考虑
2、了不同界面传热系数对模拟结果的影响,并将模拟数据与试验结果进行了比较,发现了金属型铸造界面传热系数随时间变化的规律,以及铸件与铸型的接触位置对界面传热系数的影响.关键词:铸造凝固过程;热传导;温度场;界面传热系数;有限元中图分类号:TG115.25文献标识码:A文章编号:1001—2354(2007)l0—0038一o3随着计算机技术的发展,计算机辅助工程分析CAE已经应用于铸造行业.铸造过程的数值模拟可以预测铸造缺陷(如缩孔,缩松等),进而可以优化工艺,降低成本,提高生产效益.在铸造过程中铸件与铸型间会产生空隙,称之为界面热
3、阻.热阻的倒数定义为界面传热系数,它是时间,空间的函数.在以往的金属凝固过程模拟中,常忽略界面热阻,视为无穷大或视为常数,这样往往使模拟计算结果远离实际而无法采用.因为界面传热系数直接测量很困难,所以采用"反问题"的方法来解决这一问题.所谓"反问题"是相对于"正问题"而言的."正问题"是指给定初始条件(如界面传热系数等)和边界条件求得某一时刻各个点的温度,而"反问题"是指通过试验测得铸件内部温度反推界面传热系数的方法.通过研究和确定界面传热系数,可以使模拟与实际情况更接近,进而更好地预测铸造缺陷,提高生产效益.1数学模型铸件凝
4、固过程基本上是一个不稳定热传导过程,其数值模拟计算依据的基本数学模型即为不稳定导热偏微分方程.对于三维问题,数学表达式为:PCp:击(ko缸r,)+专(筹)+去(警)+L文中采用轴对称结构模型和圆柱坐标系,所以数学表达式为:PCpoT=~r(k(a—r))+÷(警)+告(警)+L式中:一一材料的热导率,w/(m?℃);——-材料的比热容,J/(kg?cc);p——铸件金属的密度,kg/m;r——圆柱的直径;一一圆柱的高度.2铸造模型采用铸造模型为圆柱状铸型,铸型材料为45钢,铸件材料为zn.试验时将铸型放置在4个高150mm的
5、圆柱上,铸件的下表面就可以实现自然冷却.铸型尺寸如图1所示,图1中,A,B,C作为测点,通过热电偶测得随时间变化的温度.A,B,C点均为铸件上的点,其中A,B两点为边界点(A为竖直方向的点,B为水平方向的点),C点为铸件中部的点,这3个点可以描述在整个铸造过程中铸件各个方向的热传导情况.●(a)模型的三维图(b)纵剖面图(111111)图1铸型示意图3模型处理与边界条件考虑到模型的对称性即几何结构对称,载荷轴对称及边界条件对称,建模选择圆柱体纵剖面建立轴对称的有限元模型,从考虑热阻和不考虑热阻两个方面对模型进行温度场的模拟计算
6、.其中铸件初始温度为465oC,铸型初始温度为30℃,两者都采取4节点轴对称单元.不考虑热阻的有限元模型(如图2和图3所示)时共有4627个节点,4491个轴对称单元.在考虑热阻时有限元模型(如图4所示)共有4792个节点,4505个轴对称单元,301个接触单元.铸件冷却成型过程实际上是一个由液态金属到固态金属,并通过铸型向环境散热的过程.由于凝固过程中有相变,铸造收稿日期:2007—03—26;修订日期:2007—06—15基金项目:天津市高等学校科技发展基金资助项目(20051010;2006BA09)作者简介:解锦婷(1
7、981一),女,河北定州人,硕士研究生,研究方向:铸造热传导.2007年10月解锦婷,等:金属铸造界面传热系数的试验研究及其确定39过程中就会有潜热的释放.在ANSYS模拟中,潜热采用热焓法来处理.焓值的变化△日可描述为密度,比热容,温度的函数且随时间变化.U-图2铸件的有限元图3铸型的有限元图4考虑接触时的模型模型有限元模型AHJpC()式中:p——铸件金属的密度,kg/m;c——比热容,J/(kg?℃);卜温度.℃;△日——密度和比热对温度的积分,J/m.4数值模拟结果及分析模拟过程中假设初始时铸件已经充满铸型,即铸件初始
8、温度均匀,不考虑充型时的热损失.在传热过程中,铸件冷却凝固,体积减小,而铸型受热膨胀,这样在铸件/铸型接触面间产生热阻(空隙),造成铸件/铸型界面两侧的温度间断.图5～图7所示为图1中A,B,C测点与模拟温度随时间变化的对比图(试验,考虑热阻,不考虑热阻3种情况).由图可知,
