基于ANSYS的相变分析
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
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。
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。
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。
在物质相变种需要的热量称为溶化的 潜在热量 。
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。
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 or BTU/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。
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。
系统产生相变时，其控制方程如下:
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。
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。
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)。
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:
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。
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 7.5 W/m2-°C ，顶面换热系数为5.75 W/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。
飞轮几何尺寸:
沙模几何尺寸:
飞轮模型
沙模模型:
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)。
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。
使用时间历程后处理器绘制铝在几个点的温度 (T1, T2, T3 and T4) :
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。
•在时间 = 656秒时，显示只有最细部分的材料凝固了:
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:
附件为ppt全文以及详细的apdl命令流
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