钢铸件及其砂模的横截面尺寸如图10-33所示。
砂模是由型砂构成，型砂的热物理性能见表10-3。
表10-3 型砂的热物理性能
图10-33 几何尺寸
a）问题描述 b）根据对称性确定计算模型
铸钢的热物理性能如表10-4所示。
表10-4 铸钢热物理性能
铸钢的初始温度为2875℉，砂模的初始温度为80℉。砂模外边界的对流边界条件：对流系数为0.014Btu/hr.in2.℉，空气温度为80℉。求3h后铸钢及砂模的温度分布。
（1）启动Mechanical APDL Product Launcher 17.0，弹出17.0：ANSYS Mechanical APDL Product Launcher窗口。
（2）在该窗口中设置Simulation Environment为ANSYS，Lisence为ANSYS Multiphysics，在Working Directory框中输入工作目录名称，在Job Name框中输入项目名称10-2。单击Run按钮，进入GUI界面。
（3）在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete命令，弹出图10-34所示的Element Types对话框。
（4）单击Add按钮，弹出图10-35所示的Library of Element Types对话框。选择单元类型为PLANE77，单击OK按钮。
图10-34 Element Types对话框
图10-35 Library of Element Types对话框
此时回到Element Types对话框中即可看到添加的单元类型。
（5）在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Material Props＞Material Models命令，弹出图10-36所示的Define Material Model Behavior对话框。
（6）选择材料模型Thermal＞Conductivity＞Isotropic，在弹出的图10-37所示Conductivi-ty for Material Number1对话框中设置KXX=0.025，单击OK按钮。
图10-36 Define Material Model Behavior对话框
图10-37 Conductivity for Material Number1对话框
（7）回到图10-36所示的Define Material Model Behavior对话框，选择Thermal＞Density，在弹出的图10-38所示Density for Material Number1对话框中设置DENS=0.054，单击OK按钮。
（8）回到图10-36所示Define Material Model Behavior对话框，选择Thermal＞Specific Heat，在弹出的图10-39所示Specific Heat for Material Number1对话框中设置C=0.28，单击OK按钮。
图10-38 Density for Material Number1对话框
图10-39 Specific Heat for Material Number1对话框
（9）回到图10-36所示Define Material Model Behavior对话框，选择Material＞New Model，弹出图10-40所示的Define Material ID对话框，在Define Material ID框中输入材料编号2。
（10）在图10-36所示的Define Material Model Behavior对话框中选择Thermal＞Conduc-tivity＞Isotropic，弹出Conductivity for Material Number 2对话框。
（11）单击Add Temperature按钮，添加2个温度输入框，在其中输入温度值与对应导热系数值，如图10-41所示。
图10-40 Define Material ID对话框
图10-41 Conductivity for Material Number 2对话框
（12）在图10-36所示Define Material Model Behavior对话框中选择Thermal＞Enthalpy，弹出Enthalpy for Material Number 2对话框。
（13）单击Add Temperature按钮，添加2个温度输入框，在其中输入温度值与对应焓值，如图10-42所示。
完成材料定义，1号材料为型砂，2号材料为铸钢。
（14）在GUI界面中选择Utility Menu＞Plot＞Materials命令，弹出图10-43所示的Graph Material Properties对话框。
图10-42 Enthalpy for Material Number 2对话框
图10-43 Graph Material Properties对话框
（15）选择The conductivity＞KXX，输入材料编号2，单击OK按钮，在工作区中显示导热系数-温度曲线，如图10-44如示。
（16）在GUI界面中选择Utility Menu＞Plot＞Materials命令，弹出图10-45所示的Graph Material Properties对话框。
（17）选择Enthalpy，输入材料编号2，单击OK按钮，在工作区中显示焓-温度曲线，如图10-46如示。
（18）在GUI界面中选择Main Menu＞Preproces-sor＞Modeling＞Create＞Keypoints＞In ActiveCS命令，弹出Create Keypoints in Active Coordi-nate System对话框。
图10-44 导热系数-温度曲线
图10-45 Graph Material Properties对话框
图10-46 焓-温度曲线
（19）在NPT Keypoint number框中输入关键点编号1，在X，Y，Z Location in activeCS框中输入1号关键点的坐标值，如图10-47所示。单击Apply按钮确认并继续输入下一个关键点坐标，直至完成表10-5所示所有关键点的定义。
图10-47 Create Keypointsin Active Coordinate System对话框
表10-5 关键点坐标
完成定义的关键点如图10-48所示。
（20）在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Arbitrary＞Through KPs命令，弹出图10-49所示的Create Areathru KPs对话框，输入关键点编号1，2，3，4（用英文逗号隔开），单击OK按钮，生成面如图10-50所示。
图10-48 完成定义的关键点
图10-49 Create Areathru KPs对话框
（21）在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Rectangle＞By Dimensions命令，弹出Create Rectangle by Dimensions对话框，输入矩形的两个角点坐标，如图10-51所示。
图10-50 通过连接关键点生成面
图10-51 Create Rectangle by Dimensions对话框
（22）单击OK按钮，在工作区中生成矩形，如图10-52所示。
（23）在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Booleans＞Overlap＞Areas命令，弹出Overlap Areas对话框，单击PickAll按钮，两个面搭接如图10-53所示。
图10-52 生成矩形
图10-53 搭接
（24）在GUI界面中选择Utility Menu＞PlotCtrls＞Numbering命令，弹出Plot Numbering Controls对话框，设置如图10-54所示，单击OK按钮。
此时工作区中的显示效果应如图10-55所示。
图10-54 Plot Numbering Controls对话框
图10-55 显示面编号
（25）在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Delete＞Areaand Below命令，弹出Delete Areaand Below对话框，在工作区中拾取3号面，单击OK按钮。
（26）在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Size Cntrls＞Manual Size＞Global＞Size命令，弹出图10-57所示的Global Element Sizes对话框，设置单元尺寸为1，单击OK按钮。
（27）在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh＞Areas＞Mapped＞3 or 4 sided命令，弹出Mesh Areas对话框。(www.daowen.com)
（28）在工作区中拾取5号面，单击OK按钮，完成5号面的网格划分，如图10-58所示。
图10-56 删除3号面
图10-57 Global Element Sizes对话框
（29）在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Attributes＞Default Attribs命令，弹出图10-59所示的Meshing Attributes对话框。
图10-58 划分5号面的网格
图10-59 Meshing Attributes对话框
（30）将MAT Material number（材料编号）设置为2，单击OK按钮。
（31）在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh＞Areas＞Mapped＞3or 4 sided命令，弹出Mesh Areas对话框。选择4号面，单击OK按钮，完成面的网格划分，如图10-60所示。
（32）在GUI界面中选择Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞New Analysis命令，弹出图10-61所示的New Analysis对话框，设置分析类型为Transient，即瞬态分析。
图10-60 完成面的网格划分
图10-61 New Analysis对话框
（33）在GUI界面中选择Utility Menu＞Select＞Entities命令，弹出Select Entities对话框，设置参数如图10-62所示。单击Apply按钮，选出材料号为2的单元，如图10-63所示。
图10-62 Select Entities对话框
图10-63 选中铸钢单元
（34）将Select Entities对话框中的参数设置为图10-64所示，单击OK按钮，选中的节点如图10-65所示。
图10-64 Select Entities对话框
图10-65 选中铸钢单元的节点
（35）在GUI界面中选择Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Initial Con-dit’n＞Define命令，弹出Define Initial Con-ditions对话框。
（36）单击Pick All按钮，弹出图10-66所示的Define Initial Conditions对话框，设置初始条件为TEMP，值为2875。
图10-66 Define Initial Conditions对话框
（37）在GUI界面中选择Utility Menu＞Select＞Entities命令，弹出Select Entities对话框，设置参数如图10-67所示。单击Invert按钮，反选出其余单元，如图10-68所示。
图10-67 Select Entities对话框
图10-68 选中砂模单元
（38）将Select Entities对话框中的参数设置为如图10-69所示，单击OK按钮，选中的节点如图10-70所示。
图10-69 Select Entities对话框
图10-70 选中砂模单元的节点
（39）在GUI界面中选择Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Initial Con-dit’n＞Define命令，弹出Define Initial Con-ditions对话框。
（40）单击Pick All按钮，弹出图10-71所示的Define Initial Conditions对话框，设置初始条件为ALLDOF，值为80。
图10-71 Define Initial Conditions对话框
（41）在GUI界面中选择Utility Menu＞Plot＞Lines命令，在工作区中绘出线框模型。
（42）在GUI界面中选择Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Convec-tion＞On Lines，在工作区中拾取模型外缘3条线（见图10-72），单击OK按钮，弹出图10-73所示的Apply CONV on lines对话框。
（43）设置热传导系数为0.014，总体温度为80，单击OK按钮，完成边界条件设置，如图10-74所示。
图10-72 选中砂模的外缘
图10-73 Apply CONV on lines对话框
（44）在GUI界面中选择Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Sol’n Controls命令，弹出图10-75所示的Solution Controls对话，设置Basic选项卡如图10-75所示。
图10-74 完成边界条件设置
图10-75 Solution Controls对话框（Basic选项卡）
（45）选择Transient选项卡，将加载方式设置为Stepped loading（见图10-76），单击OK按钮。
（46）在GUI界面中选择Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Output Ctrls＞DB/Re-sults File命令，弹出Controls for Database and Results Files Writing对话框。
图10-76 Solution Controls对话框（Transient选项卡）
图10-77 Controls for Database and Results File Writing对话框
（47）如图10-77所示，设置Item Itemtobe controlled（输出参数的控制对象）为All items，输出为All entities（全部输出），单击OK按钮。
（48）在GUI界面中选择Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS命令，弹出图10-78所示的/STATUS Command窗口，其中显示了项目的求解信息及输出选项。
同时弹出的还有图10-79所示的Solve Current Load Step对话框，询问用户是否开始进行求解。
图10-78 /STATUS Command窗口
图10-79 Solve Current Load Step对话框
（49）单击OK按钮开始求解，当弹出Solution is done！提示时，表明求解完成。
求解过程中，工作区随时间进程绘出图10-80所示的绝对收敛范数—累积迭代次数曲线，反映了ANSYS求解状态。
（50）完成求解后即可进行后处理。进入时间历程后处理器（/POST26），弹出图10-81所示的Time History Variables对话框。
图10-80 绝对收敛范数—累积迭代次数的线
图10-81 Time History Variables对话框
（51）单击添加变量按钮，弹出图10-82所示的Add Time-History Variable对话框。
单击OK按钮，在弹出的图10-83所示Node for Data对话框中输入节点号204（这是位于铸钢中心的一个节点）。单击OK按钮，完成变量的添加。单击Time History Variables对话框中的绘制曲线按钮，在工作区中绘出的曲线如图10-84所示。
图10-82 Add Time-History Variable对话框
图10-83 Node for Data对话框
图10-84 节点204的温度-时间曲线
（52）单击工具栏中的Quit按钮，弹出Exit对话框。
（53）选中Save Everything（保存所有项目）单选按钮，单击OK按钮，退出ANSYS。
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