□ 毛偉祥 □ 王秀梅 □ 梁 異

上海大學機電工程與自動化學院 上海 200072

1 FLUENT在合金凝固過程中的應用及軟件簡介

1.1 FLUENT在合金凝固過程中的應用

隨著計算機技術的發(fā)展，以鑄件合金凝固過程溫度變化規(guī)律為基礎的數值模擬得到了越來越廣泛的應用［1～3］。這種方法不僅可以預測與鑄件溫度場有關的宏觀缺陷，還可以對鑄焊工藝進行優(yōu)化設計，從而提高鑄件的質量，減少廢品率，縮短生產周期，進而降低生產及設計成本。

1.2 FLUENT軟件簡介

FLUENT是一款用于模擬和分析特定區(qū)域內的流體流動，以及大部分伴隨流動過程所同時發(fā)生現象的專用 CFD軟件［4］，它具有靈活多樣的流體模型求解方法和靈活的非結構網格以及基于求解精度的自適應網格。由于采用了多種求解方法和多重網格的加速收斂技術，因此使其在流體計算領域中具有較優(yōu)的計算速度及求解精度。

FLUENT無論是從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動，只要是涉及流動、傳熱、相變、化學反應、燃燒、多相流等內容的問題都可進行模擬分析。作為目前全球市場占有率最大的 CFD軟件，FLUENT在航空航天、汽車設計、船舶、機械、能源動力、化工、環(huán)境、電子、噪聲、材料加工、生物醫(yī)藥、土木工程、環(huán)境工程、燃料電池等眾多領域都有著廣泛的應用［5］。

FLUENT與傳統(tǒng)CFD軟件相比，主要具有三方面優(yōu)點。

（1）功能強，適用面廣。包括各種優(yōu)化物理模型、輻射模型、相變模型、離散相變模型、多相流模型、反應流模型及化學組分輸運等。

（2）高效，省時。FLUENT將不同領域的計算軟件組合起來 ，成為CFD計算機軟件群 ，軟件之間可以方便地進行數值交換，并采用統(tǒng)一的前、后處理工具，這就省卻了科研工作者在計算方法、編程、前后處理等方面投入重復和低效的勞動，可以將主要精力和智慧用于物理問題本身的探索上。

（3）計算精度更高。

2 模型的建立及網格劃分

2.1 模型的建立

此模型采用目前機械CAD/CAM/CAE領域主流的產品設計三維建模軟件UG8.0對所需的模型進行參數化建模，整個模型包括1個匯流排和6個極耳組成，如圖1所示。

2.2 網格劃分

筆者所使用的是ANSYS集成的MESH組件對模型進行網格劃分，在MESH組件中，可以根據不同的物理場和求解器生成網格，而物理場有流場、結構場和電磁場。流場求解又可以采用 FLUENT、CFX、POLYFLOW，結構場求解可以采用顯示動力算法或隱式算法，不同的物理場對網格的要求也不一樣，通常流場的網格比結構場要細密得多，因此選擇不同的物理場也會有不同的網格劃分。

網格劃分采用基于FLUENT求解器劃分方法。為了提高計算精度，對極耳和匯流排分別采用了Sweep（掃掠網格）和Hex Dominant（六面體域網格）的方法對幾何模型進行網格劃分，其形成的網格大部分為六面體。劃分網格后的有限元模型如圖2所示，其單元總數為118 374，網格的質量好壞平均為0.809。

▲圖1 三維模型

▲圖2 劃分網格后的模型

3 模擬計算

3.1 求解器簡介

主要使用的軟件為大型通用數值模擬軟件ANSYS中的FLUENT求解器，對簡化的鉛酸蓄電池匯流排和極耳的鑄焊過程進行模擬。

3.2 工藝參數

本文將討論以下鉛合金［6］。

鉛鈣合金，其特征成分為 0.063%Ca、0.58%Sn、0.015%Al，其熔點為 327℃。

鉛錫合金，其特征成分為 2%Sn、0.25%Se，其固相線為316℃，液相線為322℃。

極耳采用鉛鈣合金，匯流排采用鉛錫合金。鉛的物理性質見表1。

3.3 計算設置

為了使問題簡化，作以下假設：

①液體金屬瞬間充滿型腔；

②忽略匯流排和極耳與空氣的換熱；

③匯流排與模具間換熱系數不變。

在基于FLUENT軟件的整個鑄焊模擬過程中，首先通過選擇能量及凝固選項，設置合理的數值模擬計算公式，施加匯流排、極耳的材料屬性和計算邊界條件，然后對計算域進行初始化等操作，最終對溫度場進行計算，具體操作過程如下。

（1）進入 ANSYS15.0軟件包，選擇 ANSYS Workbench進入Workbench界面，然后在左邊的工具箱中找到FLUENT工具，雙擊打開FLUENT求解器。

（2）在Workbench界面設置保存路徑，對文件進行保存。

（3）在FLUENT工具條的第三項MESH中，右擊導入提前劃分好的mesh文件，從而完成網格文件讀取到FLUENT求解器。

（4）進入FLUENT求解器界面，首先在General選項設置。在“Scale”選項卡中，將幾何模型尺寸更改為毫米；求解器設置中選擇壓力基準求解器，類型設為瞬態(tài)計算；在重力設置中輸入Z方向加速度為-9.8m/s2，X、Z方向為 0，并改變溫度單位為℃。

表1 鉛的物理性質

（5）物理模型設置。選擇 Energy能量模型，求解能量守恒方程；選擇 Solidification&Melting融合凝固模型，其它保持不變。

（6）材料屬性設置。點擊 Fluid創(chuàng)建鉛錫合金和鉛鈣合金的材料屬性，其中熱物性參數均按多線性形式設置，保證計算的精確性。

（7）域條件的設置。在 Cell Zone Conditions域條件設置中，選擇當前域類型為流體域。

（8）邊界條件設置。對外壁面邊界進行溫度設置，其傳熱系數為 1 700 W/（m2·K）［6］，溫度為 150 ℃，設置對流傳熱模式。

（9）計算方法選擇。在 Solution Methods中設置合理的計算方法及精度。

（10）松弛因子設置。在 Solution Controls中，根據計算機性能和計算時間的限制，設置合理的欠松弛因子，通常情況下一般采用默認值進行計算。

（11）分別設置匯流排和極耳的液體組分的監(jiān)控。

（12）初始條件的設置。在 Solution Initialization中，對整個域進行初始化設置，設置極耳溫度為25℃，匯流排溫度為450℃。

（13）結果保存設置。在 Calculation Activities中，設置每 2個載荷步保存一次結果文件，同時在Solution Animations中，設置每經歷2個載荷步保存一次溫度場和液體組分的結果圖片，以便在計算中實時觀察計算情況。

（14）計算。在Run Calculation中，選擇載荷步形式為變載荷步形式，初始載荷步長度設置為0.01 s，總載荷步數設置為2 000步，點擊“Calculation”按鈕開始計算。

4 計算結果分析

圖4為匯流排和極耳中心點（圖3中十字點）溫度時間曲線的求解結果。

從圖4可知，對于鉛鈣合金極耳和鉛錫合金匯流排，模擬開始后匯流排溫度迅速下降，極耳溫度迅速上升至熔點，在接近 1 s時進入半液半固區(qū)域，并維持了約 2 s，從而使極耳與匯流排更有效地融合，得到更好的焊接接頭質量，圖中溫度曲線的平臺區(qū)是由于凝固潛熱的釋放而形成。

模擬并對極耳和匯流排的液體組分進行監(jiān)控，其監(jiān)控結果分別如圖5、圖6所示。

由圖5可知，在模擬開始后，極耳在插入匯流排中的部分迅速融化，其比例接近了極耳總體積的14%，而其插入匯流排的比例為21%，表明并沒有出現過融情況。下面分別列舉以下時間點的極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖，如圖7～圖14所示。

由云圖可知，極耳在0～0.3 s之內插入匯流排的部分迅速融化為液態(tài)，而匯流排則幾乎沒有變化。0.3 s之后，由于來自于模具的冷卻以及極耳融化吸收的熱量，導致匯流排在0.3～3 s內全部凝固為固體，最終和融化的極耳融為一體。

5 結論

▲圖3 匯流排-極耳示意圖

▲圖4 極耳和匯流排溫度曲線

▲圖5 極耳液體組分隨時間的變化

▲圖6 匯流排液體組分隨時間的變化

▲圖7 0.02 s極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖

▲圖8 0.06 s極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖

▲圖9 0.12 s極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖

▲圖10 0.18 s極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖

▲圖11 0.30 s極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖

▲圖12 1.0 s極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖

▲圖13 1.7 s極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖

▲圖14 3.0 s極耳匯流排的液態(tài)組分云圖

筆者分析了主流CFD軟件—FLUENT軟件的主要特點和應用，用FLUENT對鉛酸蓄電池匯流排鑄焊過程進行了數值模擬。并對鑄焊過程中的匯流排和極耳的中點做了溫度監(jiān)控，以及分別對匯流排和極耳中液態(tài)組分隨時間變化進行了監(jiān)控。通過模擬可知，FLUENT能夠很好地用于合金凝固的過程分析，并且對于一般的模擬過程無需編程，可以省去大量的時間用于優(yōu)化算法的選用、參數的確定，從而很好地提高了工作效率。

［1］安曉衛(wèi)，王承志，宋廣勝.鑄件凝固溫度場有限元分析中界面熱阻的處理［J］.計算力學學報，2005（1）：100-103.

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［3］薛祥，周彼德，張躍冰，等.H型鋼坯水冷金屬型鑄造充型凝固過程數值模擬［J］.鑄造，2003（12） ：1182-1185.

［4］張濤，賈云飛，吳蕾.基于FLUENT數值仿真下的旋進旋渦流量計的研究與優(yōu)化［J］.化工自動化及儀表，2005，32（6）：62-64.

［5］周元春，楊曙東，羅博，等.基于Fluent的大通徑滑閥壓力流量特性研究［J］.機床與液壓，2011，39（19）：103-105.

［6］余偉華.鉛酸蓄電池電極鑄焊工藝研究［D］.上海：上海交通大學，2008.