壓鑄模具是現(xiàn)代制造業(yè)的重要工藝裝備。在生產(chǎn)中，其溫度場及熱應(yīng)力場為非穩(wěn)定狀態(tài)，即隨時間變化，各性能參數(shù)均發(fā)生改變。生產(chǎn)實(shí)踐證明，壓鑄模具設(shè)計(jì)、制造完成之后，即使發(fā)現(xiàn)錯誤。也難以進(jìn)行較大的修改。所以在模具設(shè)計(jì)之前就采用數(shù)值模擬技術(shù)。預(yù)測各部位的溫度場和熱應(yīng)力場分布及其變化規(guī)律。對于優(yōu)化壓鑄模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高鑄件質(zhì)量，延長模具使用壽命，降低成本，加快產(chǎn)品的升級換代，均具有重要意義。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用，為控制壓鑄模具溫度場及熱應(yīng)力場提供了有效的途徑。

　　壓鑄模具有限元分析所涉及的實(shí)際鑄件。其形狀都非常復(fù)雜，以致數(shù)值模擬的前處理階段，即實(shí)體造型和網(wǎng)格剖分往往花費(fèi)大量時間.影響了計(jì)算的精度和效率。因此，迅速而準(zhǔn)確地進(jìn)行實(shí)體造型及單元剖分。并使單元剖分與模具和鑄件結(jié)構(gòu)形狀和數(shù)學(xué)模型相協(xié)調(diào)。對提高模擬分析結(jié)果的真實(shí)性和實(shí)用性有著重要的意義。

　　ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發(fā)的大型通用有限元分析程序，其分析功能強(qiáng)大。并能有效的求解溫度場、散熱場以及多場耦合問題;但其實(shí)體建模功能有限，只能處理一些相對簡單的模型，難以勝任形狀復(fù)雜的鑄件造型。Pro/E是美國PTC公司開發(fā)的專業(yè)CAD軟件，是一個基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)。其主要功能在于能進(jìn)行便捷的參數(shù)化設(shè)計(jì)。通過Pro/E可以快速方便的建立形狀復(fù)雜的模型。雖然它帶有CAE模塊，但相比專業(yè)的CAE軟件還略有不足。因此可行的解決方案是結(jié)合兩者的優(yōu)勢，在Pro/E中建模，獲得盡量逼近真實(shí)鑄件形狀的模型。然后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行模擬分析。這樣，就可利用壓鑄模具的溫度場仿真來解決實(shí)際的工程問題。

　　1ANSYS與Pro/E的集成

　　為將ANSYS直接集成在Pro/E中，使Pro/E生成的模型能完整的導(dǎo)入到ANSYS中。需將ANSYS與Pro/E的接口進(jìn)行如下的設(shè)置：

　　(1)在同臺計(jì)算機(jī)的同一操作系統(tǒng)下安裝有Pro/E和ANSYS兩種軟件;

　　(2)保證上述兩種軟件的版本兼容，Pro/E的版本不得高于同期的ANSYS的版本;

　　(3)ANSYS10.0必須和Pro/Ewildfire2.0相連;

　　(4)操作路徑為：開始→程序→ANSYS→ANSADSNUtility→Configurationoptions→ConfigurationConnectionforPro/E。單擊OK→選擇ANSYSProduct→Workspace;選擇Graphicsdevicename(NT：Win32)給Languageusedwith;選擇Pro/Engineerinstallationpath，選擇megabytes(128)OK;Pro/Engineer：usascii，單擊OK完成連接。

　　(5)運(yùn)行Pro/Engineer并配置config.pro;

　　(6)打開Pro/E，菜單欄就會出現(xiàn)：“ANSYS10.0”選項(xiàng)，ANSYSConconfmg和“ANSYSCeom”表明ANSYS已經(jīng)集成在Pro/E之中。

　　(7)創(chuàng)建一個新零件后，通過執(zhí)行Pro/E中part菜單下的“ANSYSCeom”，就開始傳輸;或者是在ANSYS執(zhí)行FileImportPro/E導(dǎo)人文件。

　　將ANSYS直接集成在Pro/E之中，整個轉(zhuǎn)換過程可以在不脫離Pro/E和ANSYS這兩個軟件的情況下進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了Pro/E和ANSYS無縫連接。這種連接方式導(dǎo)人的模型不會發(fā)生變形和線面的丟失，分析計(jì)算的精度高。

　　2基于集成平臺下的壓鑄模具溫度場的有限元分析

　　一用于鑄造工字形梁的壓鑄模具。其實(shí)體造型如圖1所示，模具總跨度為0.5m。已知鋼水充型前。型腔初始溫度為25℃，其周圍空氣溫度為25℃。模具材料與鋼的性能參數(shù)如表1、2所示，空氣對流系數(shù)為65W/(m2·℃)。用ANSYS模擬模具與鑄件的溫度場分布。

　　圖1鑄造工字形梁的模具外觀圖

　　2.1進(jìn)行有限元分析的前處理

　　(1)用Pro/E的造型功能模塊完成鑄造工字形梁的模具的三維造型。為了便于集成環(huán)境下的ANSYS進(jìn)行單位的處理，在Pro/E中制作的鑄造工字形梁的模具模型統(tǒng)一使用國際單位制。

　　(2)模型的導(dǎo)入，在Pro/E中直接啟動ANSYS。Pro/E完成建模以后，直接單擊主菜單的“ANSYS10.0”、“ANSYSCeom”。系統(tǒng)會自動打開ANSYS，使用“plot”菜單中的“Volumes”選項(xiàng)，就可以將實(shí)體模型顯示出來(見圖2)。

　　(3)網(wǎng)格劃分(建立有限元模型)。網(wǎng)格劃分是建模中非常重要的一個環(huán)節(jié)，網(wǎng)格劃分的好壞將直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算進(jìn)度，甚至?xí)驗(yàn)榫W(wǎng)格劃分的不合理而導(dǎo)致計(jì)算不收斂。圖3為劃分網(wǎng)格后的模型。

　　(4)設(shè)置材料屬性。在材料屬性對話框中，按照表1、2設(shè)置模具材料和鋼的性能參數(shù)。

　　2.2有限元分析的求解處理

　　(1)添加約束載荷。施加對流邊界條件為65W/(m2·℃)，周圍空氣溫度為25℃到加在模具內(nèi)表面受對流沖擊的邊界上.將初始溫度為25℃施加給鑄造工字形梁的模具。

　　(2)求解。先作穩(wěn)態(tài)分析，確定初始條件，然后進(jìn)行瞬態(tài)分析。將時間步長設(shè)置完畢以后就可以由計(jì)算機(jī)自動完成。

　　2.3有限元的后處理與結(jié)果顯示

　　后處理是指檢查并分析求解結(jié)果的相關(guān)操作。這也是分析中最重要的環(huán)節(jié)之一，因?yàn)槿魏畏治龅淖罱K目的都是為了研究鑄造工字形梁模具的溫度分布及其受熱變形情況。ANSYS提供了多種顯示結(jié)果的方式，如圖形顯示、等值線圖、軌跡線圖、列表顯示等。其中圖形顯示是一種非常直觀有效的結(jié)果顯示方式，并且可以根據(jù)不同的分析目的顯示不同的分析結(jié)果。模擬分析結(jié)果如圖4～7所示。

　　圖4初始溫度場分布圖530s溫度場分布

　　圖6鑄件中心點(diǎn)溫度隨時問變化曲線

　　圖7模具頂部中心點(diǎn)溫度隨時間變化曲線

　　3總結(jié)

　　(1)建立了兩個具有代表性的CAE和CAD軟件的集成，可應(yīng)用ANSYS軟件根據(jù)不同的生產(chǎn)條件要求，改變不同的參數(shù)，并重新執(zhí)行命令流，就可以得出在不同生產(chǎn)條件(包括澆注溫度，模具材料物性和鑄造合金熱物理性能參數(shù)等)下的壓鑄模溫度場數(shù)值模擬，其結(jié)果為下一步的鑄件熱應(yīng)力一應(yīng)變場的數(shù)值模擬提供了信息。

　　(2)若模擬結(jié)果不能滿足要求。可以返回Pro/E中進(jìn)行反復(fù)修改，直至完成對模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　(3)這種數(shù)值模擬方法節(jié)省了大量時間，對鑄件成型工藝和模具設(shè)計(jì)都具有重要意義。可以在工程實(shí)際中加以推廣應(yīng)用。