淬火冷卻過(guò)程三維有限元模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化的研究.pdf

1、淬火作為改變和提高材料性能的重要手段，在汽車(chē)、航空、運(yùn)輸、建筑及其他制造業(yè)領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用。但由于淬火過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的多場(chǎng)耦合過(guò)程，傳統(tǒng)熱處理技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)機(jī)械工業(yè)現(xiàn)代化的要求，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)改造熱處理已成為當(dāng)務(wù)之急。在這種背景下熱處理數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬技術(shù)日益受到重視，已成為當(dāng)今各國(guó)研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。 上世紀(jì)七八十年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使計(jì)算機(jī)作為一個(gè)強(qiáng)有力的工具在各工程領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，淬火領(lǐng)域也

2、不例外。淬火過(guò)程的數(shù)值模擬作為一種計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)方法，可以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)工藝、降低廢品率，從而大大提高工作效率。淬火過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)近年來(lái)雖然取得了一些進(jìn)展，并顯示出巨大的優(yōu)越性，但它仍處于發(fā)展階段，許多重要問(wèn)題如換熱系數(shù)測(cè)算、溫度組織應(yīng)力耦合分析模型建立等有待于進(jìn)一步研究，它的潛力也沒(méi)有真正發(fā)揮出來(lái)。 本文針對(duì)上述淬火模擬存在的問(wèn)題，建立了淬火冷卻過(guò)程三維溫度場(chǎng)、組織轉(zhuǎn)變和應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)的耦合分析模型，提出了基于有限元和最優(yōu)化方

3、法計(jì)算淬火換熱系數(shù)的方法，把遺傳算法引入氣體淬火工藝參數(shù)優(yōu)化過(guò)程，得到了可以提高淬火質(zhì)量的淬火工藝參數(shù)。具體如下： 針對(duì)淬火冷卻過(guò)程溫度和組織變化的特點(diǎn)，綜合考慮了邊界換熱系數(shù)、相變潛熱以及熱物性參數(shù)等非線(xiàn)性因素的影響，采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)了求解淬火冷卻過(guò)程三維溫度場(chǎng)的有限元程序。該程序大大減小了通用有限元軟件處理淬火過(guò)程非線(xiàn)性問(wèn)題時(shí)只能以常數(shù)代替所引起的模擬誤差。 提出了相變潛熱的計(jì)算與處理方法，把相變潛熱作為每個(gè)單元的

4、內(nèi)熱源進(jìn)行處理，并迭代求解至收斂，提高了溫度場(chǎng)的計(jì)算精度。編寫(xiě)了模擬相變過(guò)程和組織轉(zhuǎn)變的程序。研究了網(wǎng)格細(xì)化、動(dòng)態(tài)時(shí)間步長(zhǎng)和集中熱容矩陣對(duì)求解溫度場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)的數(shù)值振蕩問(wèn)題的影響，計(jì)算結(jié)果表明：在時(shí)間步長(zhǎng)選擇合適的情況下，集中熱容矩陣能夠很好地解決數(shù)值振蕩問(wèn)題；如果不進(jìn)行集中熱容矩陣，無(wú)論是細(xì)化網(wǎng)格還是減小時(shí)間步長(zhǎng)，其解決數(shù)值振蕩問(wèn)題的效果都不好。但是集中熱容矩陣造成邊界節(jié)點(diǎn)的溫度曲線(xiàn)與解析解的誤差較大。 自主設(shè)計(jì)了端部淬火實(shí)驗(yàn)工裝

5、，對(duì)P20試樣進(jìn)行端部淬火實(shí)驗(yàn)，并對(duì)試樣相應(yīng)部分進(jìn)行金相分析及硬度檢驗(yàn)，得到了準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)值。建立了P20鋼端部淬火的有限元模型，用本文編寫(xiě)的程序?qū)20鋼端部淬火實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了有限元模擬，得到了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)位置的各新生成相的含量及相應(yīng)位置的硬度計(jì)算值，將這些數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)有限元模擬程序進(jìn)行了檢驗(yàn)，檢驗(yàn)表明本文的有限元程序是準(zhǔn)確的、可靠的。結(jié)合非線(xiàn)性有限元方法和最優(yōu)化方法，對(duì)淬火冷卻過(guò)程的反向熱傳導(dǎo)問(wèn)題進(jìn)行了研究。利用文獻(xiàn)中的換熱系

6、數(shù)數(shù)據(jù)和熱物性參數(shù)，計(jì)算得到淬火零件相應(yīng)位置的溫度變化曲線(xiàn)，然后根據(jù)溫度變化曲線(xiàn)，用本文開(kāi)發(fā)的基于有限元和最優(yōu)化方法的反傳熱分析程序求解隨溫度變化的換熱系數(shù)。利用三維非線(xiàn)性有限元方法，以進(jìn)退法確定初始搜索區(qū)間，結(jié)合黃金分割法、逐次二次插值法及其混合法等優(yōu)化方法，根據(jù)已知溫度曲線(xiàn)，對(duì)淬冷過(guò)程反傳熱中的換熱系數(shù)的求解時(shí)間問(wèn)題進(jìn)行了研究。在求解換熱系數(shù)時(shí)，對(duì)端淬和全淬的情況進(jìn)行了比較。由于在兩種情況下首先計(jì)算換熱系數(shù)的點(diǎn)選取不同，在端淬情況下

7、所得換熱系數(shù)與參考值吻合程度好于全淬的情況。 自主設(shè)計(jì)了采集試樣內(nèi)部相應(yīng)位置處冷卻曲線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)裝置及基于ISA 總線(xiàn)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)采集了P20鋼在20℃和60℃水中冷卻時(shí)的冷卻曲線(xiàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度曲線(xiàn)利用本文中的有限元模擬程序和最優(yōu)化程序得到了20℃和60℃水隨淬火件溫度變化的換熱系數(shù)曲線(xiàn)。 推導(dǎo)和建立了淬火過(guò)程材料處于彈性區(qū)、塑性區(qū)、過(guò)渡區(qū)的應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系，并編寫(xiě)了相應(yīng)的三維有限元模擬程序。根據(jù)淬火過(guò)

8、程的特點(diǎn)，提出了一種新的計(jì)算彈塑性比例方法，并提出了加快彈塑性比例系數(shù)收斂速度的方法。計(jì)算結(jié)果表明：該方法可以明顯地加快迭代時(shí)彈塑性比例系數(shù)的收斂速度，避免產(chǎn)生不收斂現(xiàn)象，而且可以較好的保證計(jì)算精度。采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)了淬火過(guò)程的三維應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的模擬程序。選擇1080鋼水冷淬火和板的熱應(yīng)力問(wèn)題兩個(gè)算例對(duì)該程序進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近，用本文的有限元模擬程序，可以得到比較準(zhǔn)確的應(yīng)力應(yīng)變值。 建立了溫度場(chǎng)、組

9、織轉(zhuǎn)變和應(yīng)力場(chǎng)的三維耦合分析模型。選擇軸對(duì)稱(chēng)空心圓柱體問(wèn)題、偏心圓柱筒為研究對(duì)象，建立相應(yīng)的有限元分析模型，研究了其溫度場(chǎng)、組織轉(zhuǎn)變和應(yīng)力場(chǎng)在淬火過(guò)程中的變化情況，并將其組織分布情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。研究了三維偏心圓柱筒由溫度引起的初應(yīng)變、相變引起的初應(yīng)變及相變塑性對(duì)淬火殘余應(yīng)力的影響。 把遺傳算法引入氣體淬火工藝參數(shù)優(yōu)化過(guò)程。提出了階段性換熱系數(shù)模型，并根據(jù)該模型以淬火變形為目標(biāo)對(duì)P20鋼磚型結(jié)構(gòu)件氣體淬火工藝進(jìn)行了優(yōu)化，