ANSYS-Prozeβe der Abkühlungs- und der gekoppelten Verformungssimulation an einem Feinguβbeispiel*

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1 ANSYS-Prozeβe der Abkühlungs- und der gekoppelten Verformungssimulation an einem Feinguβbeispiel* Asst.Prof.Dr. S. Yilmaz, Dipl.-Ing. E. Erzi, Ing. F. Özkan İstanbul Üniversitaet Fakultaet für Ingenieurwesen Abt. für Metallurgie und Material Ingw. (*Yılmaz, S., Erzi,E, "Gieβtechnische Simulation von einem AlSi9Cu3-Feinguβteil" Metall 58(4), 2004)

2 Einführung Ziel dieser Arbeit ist es, die Abkühlungs bzw. Erstarrung und gekoppelten thermischen Verformungen einer AlSi9Cu3-Feinguß-Legierung mit Hilfe der ANSYS Software zu simulieren. Die AlSi9Cu3 ist hypoeutektisch (Bild 1) eine bekannte Gußlegierung

3 Bereich der Legieurung in einem Al-Si binaeren System Die Grenzen des Intervalls werden als Solidus (T S )- und Liquidustemperatur (T L ) bezeichnet. Beim Erstarren einer Schmelze kühlt das Material ab, bis der Liquiduspunkt erreicht ist. Dann beginnt die Kristallisation unter Freisetzung von Energie. Bei weiterer Energieabfuhr erfolgt gleichzeitig diese Kristallbildung sowie eine weitere Abkühlung. In diesem Zustand liegt ein Gemisch von Schmelze und Kristallen vor. Das Verhältnis der Anteile von Schmelze zu Kristallen ist temperaturabhängig. Erst bei Erreichen und Unterschreiten der Solidustemperatur liegt ein vollständig erstarrtes Material vor

4 Für ein Temperaturintervall von T 1 bis T 2 mit T 1 <T S <T L <T 2 das den Phasenübergangsbereich zwischen T S und T L einschlieβt gilt daher h ξ (T2-T1) =hξ (T2) hξ (T1) = v L ρ L TL T2. Cp L dt + h lat + v S ρ S T1 TS. Cp S dt wobei v das Volumen, ρ die Dichte, h lat die latente Wärme (Schmelzenthalpie) bezeichnet und dabei bedeuten Indizes L bzw. S indizieren den Zustand flüssig bzw. Fest. Die Enthalpie h einer Legierung ist im Wesentlichen von der Temperatur T und ihrer Zusammensetzung ξ abhängig [3, 7-8]

5 Waermeleitung (Konduktion, Fourrier sches Gesetzt) : Bei instationaeren zeitabhaengigen Problemen; / x [k x ( T/ x)] + / y [k y ( T/ y)] + / z [k z ( T/ z)] = c( T/ t) q Dabei sind k, die Wärmeleitzahl in der jeweiligen Raumrichtung; c, die Wärmekapazität; T, die Temperatur; x,y,z, die Richtung, t, die Zeit, q, die Wärmeerzeugungsrate. Waermeüertragung (Konvektion) q s = h f (T F T W ) Wobei h f, der Wärmeübergangskoeffizient; T F, die Umgebungstemperatur; T W, die Wand- oder Oberflächentemperatur und q s, der Wärmestrom

6 Finite-Elemente Modellierung mit ANSYS eine instationäre Wärmeübertragungsberechnung wird für die Bestimmung der Abkühlungsgeschwindigkeit und dann eine thermomechanisch gekoppelte Strukturberechnung für die Bestimmung der Verschiebungen bzw. Spannungen durchgeführt

7 1. Pre-Prozesse 1.1 Geometrisches Modell a. Technische Zeichnung des Teils (in mm.) b. 3D-Geometrisches Modell des Teils mit seiner Form (CAD)

8 1.2 Material Modell : a) T abhaengige Enthalpie

9 1.2 Material Modell : b) T abhaengige Waermeleitung

10 1.2 Material Modell : weiteres... Werkstofftyp 1 (Guβteil) T (ºC) α,10-6 /K 21, E (GPa) Werkstofftyp 2 (keramische Form) Kxx(W/mK) ρ (kg/m 3 ) Sp. Wärme (J/kgK)

11 1.3 FE-Modell a. Thermisch 3D Solid 70 Elementtyp FE - Modell b. Strukturel 3D Solid 45 Elementtyp

12 2. Instationäre Wärmeübertragungsberechnung 2.1 Randbedingungen Bei t 0 = 0 ist die Zirkonsandform mit flüssigen Metall voll, seine Temperatur 640 C und die Temperatur der Zirkonsandform 50 C angenommen. Für die freie Konvektion auf der auβeren Oberfläche der Zirkonsandform wird ein konstanter Wärmeübertragungskoeffizient annähernd von 70 W/(m 2 K) angenommen. Wärmestrahlung wird hingegen vernachlässigt

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14 3. gekoppelte Strukturberechnung

15 Schluβbemerkung Die gieβtechnische Simulation hilft die Verkürzung der Entwicklungszeiten, die Steigerung der Produktivität, die Reduzierung der Kosten und die Sicherung der Qualität für immer höhere Anforderungen an das Gieβteil. Mit Hilfe der instationären Wärmeübertragungsberechnung kann der zeitliche Ablauf der Temperaturverteilungen schrittweise gerechnet, der Phasenwechsel simuliert und die Abkühlungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Die Verschiebungen bzw. Spannungen infolge thermischer Belastung im Phasenwechselbereich können durch die thermomechanische gekoppelte Strukturberechnung einfach analysiert werden

16 DANKSAGUNG Diese Arbeit wurde von Forschungsgesellschaft von der Universitaet Istanbul mit Projekt Nr. 1772/ finanziel unterstützt