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0 引言
铸造凝固过程是一个非常复杂的物理化学过程，是由包括热量传输、动量传输、质量传输及相变等一系列过程藕合而成的。铸造凝固过程温度场仿真即是从传热学角度模拟金属从液态转变为固态的过程，在存在相变的情况下求得导热微分方程的数值解。借助于温度场数值模拟仿真技术，可以了解主要铸造缺陷的形成机理、优化工艺及其参数，进而确保铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本。
ZG20Mn5V砂型铸造生产时废品率很高，主要是产生热裂纹。控制铸造热裂纹的关键是控制凝固过程中铸件的表面温度f17，因而为了预测ZG20Mn5V热裂纹的产生，模拟仿真ZG20Mn5V铸造凝固过程的温度场。
本文基于大型有限元软件ANSYS对铸造凝固过程温度场模拟仿真，随着ANSYS版本不断更新，核心技术不断完善，其稳态瞬态热分析、辐射热分析、相变分析、热应力分析和流体热分析功能不断强大，更能显示其计算精度与计算速度的良好兼顾性。
1 凝固过程温度场模拟仿真
1.1研究对象
本文研究对象为ZG20Mn5V铸钢件。其尺寸为100mm x 50mm x 1000mm，砂型尺寸为180mm x180mm x 1200mm。图1所示为该铸件的砂型及其型腔示意图。
1.2基本假设
在复杂的铸造凝固过程实际条件下，抓住主要方面模拟实验情况，做一些合理化的假设，但同时又能保证其结果的准确性。本文做如下假设。
1)认为液体金属在瞬时充满型腔后开始凝固。
2)由于砂型在金属液凝固过程中的温度变化不是很大，因此将它的热物性参数看成是不随温度变化的常数。
3)在固相、液相内材料均匀，且具有各向同性。
4)不考虑合金的过冷，假设凝固是从其液相线温度开始，固相线温度结束。
1.3初始条件
铸件充型时间相对于铸件凝固时间可以忽略不计，故假设金属液是瞬时充满型腔的。铸件和砂型均为已知初始均匀温度场，即:
式中:T1为砂型温度，等于室温20℃;T为时间，s;T2为铸件温度，即金属液充满型腔后的初始温度，等于金属液的浇注温度1532℃.
1.4 边界条件
铸件/砂型系统的传热过程主要通过液态金属与砂型的对流换热、金属向砂型导热、砂型表面与大气的对流换热及其对外界的热辐射等方式综合进行的。
液态金属与砂型的对流换热用Newton冷却定律描述:
式中:α为对流换热系数，α=65 W/m2·℃;Tf为液态金属的特征温度;Tw为砂型边界温度。
金属液充满砂型后，铸件和砂型之间的导热主要以不稳定导热方式进行。三维不稳定热传导方程为:
式中:ρ为密度，kg/m3;c为定压比热容，J/(kg·℃);t为温度，℃;T为时间，s;λ为热导率，W/(m·℃);Q为内热源密度(此处为金属液凝固时释放的潜热)，W/m3。
砂型表面与大气的对流换热及其对外界的热辐射，由于砂型外表面在浇注后温度并不很高，所以整个热辐射并不强烈。而考虑到辐射分析的高度非线性，会造成计算量的成倍增大，降低求解效率。因此将辐射的影响折合成对流散热并不会影响模拟精度，从而合理简化边界条件。
1.5热性能参数
液态金属在凝固过程中不仅形态发生变化，还经历了相变过程，其温度变化区间也非常大，故其热导率及热焓与温度关系密切，其具体数据关系，如表1所示;砂型的热性能参数可以看成是不随温度变化的常值，如表2所示。
1.6 建立ANSYS有限元模型
根据铸件结构特征，定义其ANSYS单元类型为SOLID90实体单元;按表1、表2分别定义铸件和砂型材料热性能参数;而后采用ANSYS中的实体建模工具构建其模型，建模完毕对铸件和砂型局部采用映射(Mapped)方式网格剖分。其他部分则利用智能网格划分器自由剖分，以达到所需部位网格细化的目的，从而兼顾计算精度和运算速度。铸件和砂型划分网格后的有限元模型如图2所示。
1.7加载求解
指定分析类型为Transient;先作稳态分析，确定本文第1. 3节初始条件及本文第1. 4节边界条件，设置稳态分析时间步长为O.Ols，施加温度载荷、对流载荷，得到初始温度场分布，将其作为整个瞬态分析过程的初始温度场;打开时间积分选项，设置计算终止时间为16200s，进行瞬态分析，着重研究该时间段内温度场的变化规律。
1.8模拟结果及分析
图3是利用ANSYS通用后处理器(POST1)查看得到的ZG20Mn5V铸件及砂型在不同时刻横向剖面(见图l, X = 600mm处的横向截面)上的温度场分布等值线图。铸件在凝固过程中10S时，由于砂型温度显著比金属液低，铸件的外表面温度下降显著于其心部温度，其截面四角尖端散热明显快于其他位置;300s后，铸件温度趋于均匀(心部温度较高)，砂型由内而外温度上升，这是因为铸件金属的导热性能远远强于砂型,6000s时，由于砂型左右侧壁厚显著小于上下侧，铸件热量从左右两侧流失明显，砂型外表左右侧面中间部位温度明显高于上下侧面相应部位;达到16200s时，铸件继续散热，热量从砂型左右两侧流失更加显著。
从图3各不同时刻温度分布等值线图可以看出，铸件中心部位温度最高，周边温度相对较低，由中心向外扩散散热，符合实际生产情况。
对ZG20Mn5 V铸件及砂型作三维热分析，沿铸件及砂型纵向中心剖切(如图2铸件及砂型网格剖分图)，获得如图4所示不同时刻ZG20Mn5V铸件及砂型纵向剖面上的温度场分布图。由于认为液体金属在瞬时充满型腔后开始凝固，各边界散热条件大体一致，因而t=lOs时的温度场分布图符合其初始温度场分布;由于浇口直接暴露在空气中，其温度极高，除对流换热外热辐射表现强烈，散热快，因而随着时间的推移该处温度下降较快，液态金属先于其他部位凝固并依次向前推进;砂型材料热导率相对较小，对外界的散热主要表现为对流换热，因而铸件远离浇口端部分纵向剖面上的温度场较为均衡，如图4b、图4c所示。
图5是利用ANSYS时间历程后处理器(POST26)查看得到的点A点B(见图1,X=600mm横向截面上对应的点A、点B)温度随时间变化曲线图。从图5中可以看出，在浇注完毕凝固初期，点B由于散热面积大、散热快而使其最高温度明显低于点A;由于开始金属液与砂型之间的温度差值较大，因而A,B两点冷却速率均较大，当经历2h后，铸件与砂型温度梯度减小，A,B两点冷却速度随之减小并趋于一致，这与理论吻合。
从本例建立有限元模型、设置材料性能参数等可知，可以选择适当壁厚、适当材料的铸型，来控制ZG20Mn5V铸件凝固过程温度场分布;从本例考虑浇口处的快速散热可知，为了减少铸造缺陷使铸件顺序凝固，可在铸件适当位置设计冷铁，使合金沿着预期方向快速冷却。
采用呋喃树脂砂造如图1所示砂型，分别在距砂型左端面1000mm的点(其坐标X=1000mm，记为点A1) ,500mm处的点(其坐标X = 500mm，记为点A2)安装测温热电偶，该热电偶铂姥-铂硅丝直径为0.3mm,其外套为φ2mm的双孔陶瓷管。热电偶与日本YO-DAC-8型温度巡检仪接口相连。控制实验室环境温度于20℃，边界条件与计算机模拟情况一致，ZG20Mn5V金属液浇注温度为1532℃。所测得点A1、点A2在不同时刻的实际温度值，及其对应时刻模拟结果与之比较的误差如表3所示。
从表3可以看出，点A1、点A2温度的模拟结果相对于测量值，都存在程度不同的误差，这是因为温度场模拟时存在基本假设和点A1、点A2实测时存在测量误差。但模拟结果相对于测量值最大误差仅为2. 8%，模拟结果和实测值还是基本吻合，这说明采用的数值模拟方案是可行的，可满足使用要求。
2 结语
本文在结合ZG20Mn5 V铸造凝固过程的基础上，给出一种对其温度场应用ANSYS软件模拟仿真的简单方法。该方法充分利用铸件的结构特征，选取最恰当的单元类型，不但计算简单，省时省力，而且误差较小，精度较高，从而达到了兼顾计算精度和计算时间的模拟要求;该模拟结果为预测热裂纹的产生提供了温度场数据信息，为后续控制ZG20Mn5 V热裂纹奠定了工艺基础。
依据ANSYS模拟温度场，不但可以采用更加合理的温度分布而提高铸件的合格率，还可以选择更加适当的浇注温度、砂型(材料、尺寸)及冷铁位置等，从而能达到优化铸造工艺、服务实际生产的目的。
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