座便器热变形分析.docx
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座便器热变形分析
坐便器ansys热变形分析
陶瓷工业在现代化建设和日常生活中具有很重要的地位,现代坐便器制品形式多样结构复杂而且对产品品质的要求也越来越高。
传统坐便器制造技术的产品设计过程和制造过程相分离,使得从产品设计开始到生产工艺的定型需要大量的反复修改,依靠经验试验方法制订工艺这些成为阻碍陶瓷技术发展的瓶颈,迫切需要采用新的产品开发模式和技术来改变这种局面。
随着计算机技术的发展陶瓷制造技术发生了很大运用ANSYS仿真软件来模拟坐便器在烧结过程中坯体温度场的分布及外形变形的分析。
根据分析结果对坐便器磨具加工时进行设置预变形，从而既保证了坐便器外形的美观又保证了坐便器烧结的成品率。
采用计算机仿真技术对陶瓷生产过程进行仿真,可以对生产工艺选择的合理性进行验证,而且还可以优化生产工艺,减少损失,缩短开发周期,提高产品质量等。
4.1坐便器ansys热变形分析
陶瓷的生产过程主要由坯体成型干燥和烧结三部分组成，其中成型是将坯料加工成为有一定形状和尺寸的半成品干燥是排除生坯中的水分属于物理变化过程烧结是通过高温处理使坯体发生一系列物理化学变化形成预期的矿物组成和显微结构从而达到固定外形并获得所要求性能的工序，就是发生质变成瓷过程要完成陶瓷生产过程的数值模拟烧结过程的数值模拟是至关重要的陶瓷在烧结过程中，影响产品性能的主要因素是温度和气氛，通过有限元软件对坐便器温度场和结构场的分析，从而了解坐便器坯体在烧结过程中温度和结构的变化。
4.11ansys有限元分析软件的介绍
本文基于一个通用的多用途有限元软件包ANSYS，对陶瓷坯体烧成过程中
温度场进行分析，ANSYS软件是由美国ANSYS公司开发的，融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，应用极为广泛。
利用ANSYS软件不仅可以进行静、动态分析、热分析、流体分析等单一物理场分析，而且还可以进行多物理场耦合分析，如热一结构耦合、磁一结构耦合以及电一磁一流体一热耦合等，另外还提供了结构高度非线性分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分等多种分析技术和功能。
本文应用ANSYS的热分析功能，对单位体积陶瓷坯体，以及复杂形状陶瓷坯体烧结过程的温度和结构变化进行了分析求解。
4.12坐便器烧结ansys热变形分析原理
模拟计算过程采用的是有限元方法，首先要建立有限元方程。
根据傅立叶定律，其表达式为：
（3.1）
式中q为热流密度，[W/m2]，是一个矢量；k为热传导系数，W/（m•℃），表征物质导热能力的大小，它与物质的种类、温度、密度和湿度等因素有关。
因此坯体内的导热方程可以写为：
（3.2）
其中：
ρ—密度，kg/m3；c—比热，J/（kg•℃）；T—温度，℃；t—时间，s；qm—内部热生成率，W/m3；Kx，Ky，Kz—热传导系数，W/（m•℃）。
陶瓷坯体被认为是各向同性的，即，Kx=Ky=Kz；有限元计算时忽略烧结过程中的反应热，作为无内热源处理，即qm＝0
公式可简化为：
（3.3）
由此建立起陶瓷坯体的导热模型，固体导热微分方程为：
（在
内）（3.4）
其中：
—密度，kg/m3；c—比热，J/（kg•℃）；T—温度，℃；t—时间，s；qm—内部热生成率，W/m3；Kx，Ky，Kz—热传导系数，W/（m•℃）；
—物体边界。
为了得到固体导热偏微分方程的唯一解，必须附加边界条件和初始条件。
边界条件分为三类：
第一类边界条件：
已知物体的表面温度，
（3.5）
第二类边界条件：
已知物体的边界热流量，
（3.6）
第三类边界条件：
已知物体与周围气体的换热情况，
（3.7）
式中：
α—气体与物体表面的换热系数；
T1,T2—分别为物体与空气的温度；
沿边界法向的温度剃度
初始条件用公式表示为：
（3.8）
式中：
T0—已知常数，℃，表示物体初始温度是均匀的；
—已知函数，℃，表示初始温度是不均匀的；
一般取陶瓷坯体的初始条件为烧成前的内部温度分布，烧成前陶瓷坯体的温度分布是均匀的，并为常温。
综上所述，陶瓷坯体烧成过程中的传热模型为：
（3.9）
将空间域Ω离散为有限个单体，在典型单元内温差T和位移ui近似地用节点温差Tk和位移uik插值得到：
（3.10）
其中插值函数Nk只是空间位置的函数，Tk和uik是时间的函数。
由热传导和热弹性运动方程所对应的泛函数变分为零，可以得到所对应的有限元方程：
（3.11）
其中C是热容矩阵，K是热传导矩阵，C和K都是对称正定矩阵。
P是节点温差阵列。
（3.12）
其中M是质量矩阵，D是刚度矩阵，Q是载荷列阵，u是节点位移列阵。
由（3.1）和（3.2）求出位移后，可以进一步由位移应变关系和本构方程求解出应变和应力。
4.2热变形分析假设条件及参数的确定
ANSYS仿真软件虽然具备建模功能，但是由于ANSYS自主建模功能的缺陷，建立复杂模型存在较大难度，又由于热变形分析需要的是坐便器的整体模型，模型大且复杂，所以在完成整体建模上面遇到了不少困难。
所以先用proe建模软件画好坐便器整体模型，在将其导入到ansys有限元分析软件中。
由于坯体温度高于900℃时，坯体中的玻璃相还处于熔融状态，冷却应力可通过玻璃相的塑性变形而消除，不会产生残余应力，也不会产生变形。
所以加热阶段只分析200C-9000C这段时间内，坯体温度场及结构的变化情况。
假设陶瓷烧结过程中的热量传递方式为传导，不受辐射的影响。
在烧成过程中，陶瓷坯体的导热系数、比热和密度等物性参数假设为固定值。
在烧成过程中，陶瓷坯体的导热系数、比热和密度等物性参数随温度的变化也有就大的变化，由于测定温度变化范围较大的陶瓷坯体的导热系数、比热和密度比较困难，在这里我们以温度900℃时的值来代替。
材料性能参数值如表4-1所示。
表4-1材料性能参数值
温度（0C）
导热系数（W／m0C）
比热（J/0C）
密度（K/m3）
900
1.637
1073.5
1602
热膨胀系数是影响影响模拟结果最重要的参数。
为此，我们进行取样，首先对坯进行了烧结温度范围测定，然后将坯料和干燥的釉粉压制成试条，在适宜的烧结温度下烧结，加工为φ6×25mm的试样，用德国NETZCH公司DIL-402PC热膨胀仪精确测量了坯的热膨胀系数。
经测量，当坯的烧结温度为1200℃左右时，膨胀系数测量结果结果如表4-2所示.
表4-2生坯在升温过程中的热膨胀系数（×10-6/℃）
温区（℃）
30－100
100-350
350-550
550-600
600-800
800-900
膨胀系数
5.2755
8.9867
13.0924
30.5593
3.9759
6.5257
4.3坐便器ansys热变形分析步骤
一.进行温度场分析的前处理并写入温度场物理分析文件
1.确定热分析单元类型选择ThermalSolid，Solid90单元，此单元能够容许不规则形状，并且不会降低精确性，特别适合边界为曲线的模型。
2.定义材料属性，需要输入的材料参数：
（1）比热容C；
（2）导热系数KXX；（3）密度DENS，具体数据设置参照上文。
3.导入座便器模型，将proe中画好坐便器的模型，在用IGES格式导入，坐便器模型如图4-3所示：
4.划分单元，确定合适的单元精度，选择是适合的单元精度，所划分的有限元模型如4-4所示。
图4-3坐便器模型图4-3坐便器网格模型
5.施加温度场边界条件：
1.座便器坯体的初始温度250；2.窑内加热和冷却温度控制如表4-4所示：
表4-4窑内温度控制
预热段
段号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
温度
106
144
169
206
301
385
562
756
930
冷却段
段号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
温度
930
781
642
621
564
494
442
392
326
241
132
6.写入温度场文件，命名为thermal。
二．进行结构分析的前处理并写入结构场物理分析文件
1.清空物理环境数据
2.删除温度场边界条件
3.将温度场单元转化为结构场分析单元并更改单元分析选项
4.定义材料属性：
（1）弹性模量EX，泊松比PRXX；
（2）热膨胀率
5.对坯体施加位移边界条件
6.写入结构分析物理分析文件，命名为struct。
三．读取温度场物理分析文件进行求解和后处理
1.读取温度场物理分析文件
2.求解.从载荷步
3.读取结构场分析文件并读取温度场计算结果进行结构场求解
4.结果后处理
4.4坐便器ansys分析结果显示及分析
坐便器坯体在21600秒温度分布云图
坐便器坯体上某一点温度变化曲线
坐便器坯体在21600秒热变形云图
坐便器水箱部分竖直方向变形曲线
3.3结论
1、有限元方法可以用于坐便器烧成过程中温度场及应力场的模拟。
建立起合理的有限元分析模型后，运用ANSYS仿真分析软件，选择合适的边界条件，并对工艺过程进行合理的简化，能够对坐便器烧成过程进行数字化仿真模拟。
2、从模拟结果中可以很直观地观察到产品在不同加热和冷却阶段的温度场及应力场的分布情况。
仿真分析过程及结果可以作为优化烧成制度和调整烧成工艺的依据，预防或减少产品在烧成过程中因应力而导致的缺陷。
3、运用ANSYS仿真分析软件建立的坐便器整体模型与实际情况基本相符。
作为进一步的研究，可以采用专业画图软件进行建模，使模型与复杂形状产品的仿真度更高，可以大大增加仿真分析的实际意义。
4、模拟分析的准确度与加载的边界条件数据的准确性关系密切。
通过对坯釉在烧成过程中的性能参数进行全面的测试，将获得的实测数据与模拟分析结果进行比较分析，进而修正边界条件，可进一步提高模拟分析结果的可靠性。
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