機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化畢業(yè)設(shè)計(jì)-20鋼圓柱體水淬過程溫度場模擬

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　20鋼圓柱體水淬過程溫度場模擬</p><p>　　20鋼圓柱體水淬過程溫度場模擬</p><p>　　摘要：20鋼屬于優(yōu)質(zhì)低碳碳素鋼，冷擠壓、滲碳淬硬鋼。該鋼強(qiáng)度低，韌性、塑

2、性和焊接性均好，一般用于制造受力不大而韌性要求高的零件。</p><p>　　利用ANSYS軟件，創(chuàng)建幾何模型、劃分網(wǎng)格、加載求解等過程模擬20鋼溫度場的變化，得出20鋼加熱過程、冷卻過程的溫度場分布圖；拾取20鋼圓柱體具有代表的特殊點(diǎn)，得到20鋼圓柱體整體溫度隨時(shí)間變化的曲線，分析了20鋼熱處理前后組織和力學(xué)的變化。結(jié)果表明，在加熱與冷卻過程時(shí)，圓柱體的圓形邊上溫度最先發(fā)生變化。</p><

3、p>　　關(guān)鍵詞：20鋼，有限元分析，熱處理，溫度場</p><p>　　Process of 20 steel cylinder water quench temperature field simulation</p><p>　　Abstract:20 high-quality low-carbon steel is carbon steel, cold extrusion, c

4、arburizing hardened steel. The steel low intensity, toughness, ductility and weldability are good, generally used for manufacturing large discontinuity toughness demanding parts.</p><p>　　By using ANSYS soft

5、ware, through foundation processes such as creating a geometric model、division grid、load solution and so on to carries on the simulation to the 20 steel temperature field, it is concluded that 20 steel heating process, t

6、he distribution of temperature field in cooling process. Select specific points on 20 steel cylinder, Got a whole 20 steel cylinder temperature versus time curves were analyzed before and after the heat treatment of stee

7、l changes 20 organizations and mechanics.</p><p>　　Keywords：20 steel，F(xiàn)EA，Heat treatment，temperature field，</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p>

8、;<p>　　1.1 設(shè)計(jì)研究的目的及意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外淬火模擬領(lǐng)域研究動態(tài)2</p><p>　　2 有限單元法概述4</p><p>　　2.1 有限元基本原理4</p><p>　　2.1.1 物體離散化4</p><p>　　2.1.2 單元特性分析4

9、</p><p>　　2.1.3 單元組集5</p><p>　　2.1.4 求解未知節(jié)點(diǎn)位移5</p><p>　　2.2 ANSYS軟件6</p><p>　　2.2.1 ANSYS簡介6</p><p>　　2.2.2 ANSYS的發(fā)展6</p><p>　　2.2.3

10、 ANSYS的功能6</p><p>　　3 數(shù)值模擬過程9</p><p>　　3.1 瞬態(tài)熱分析的基本步驟9</p><p>　　3.1.1 建模9</p><p>　　3.1.2 施加載荷并計(jì)算9</p><p>　　3.1.3 后處理10</p><p>　　3.2

11、 數(shù)值模擬的內(nèi)容10</p><p>　　3.2.1 材料及參數(shù)的選擇10</p><p>　　3.2.2 加熱溫度的選擇11</p><p>　　3.2.3 建模12</p><p>　　3.2.2 加熱過程求解15</p><p>　　3.2.3 水淬過程求解19</p>&l

12、t;p>　　3.2.4 后處理20</p><p>　　4 結(jié)果與分析23</p><p>　　4.1 20鋼圓柱體加熱過程23</p><p>　　4.2 20鋼圓柱體水淬過程28</p><p><b>　　5 展望32</b></p><p><b>　　結(jié)論

13、33</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)34</b></p><p><b>　　致謝35</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　在材料科學(xué)研究中除基礎(chǔ)理論研究以及試驗(yàn)研究外，計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算研究已經(jīng)成為解決材料科學(xué)

14、中實(shí)際問題的第三種重要方法。數(shù)值模擬就是利用計(jì)算機(jī)程序求解數(shù)學(xué)模型的近似解，可以理解為用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)。數(shù)值模擬用到的數(shù)值解法主要有差分法、有限元法、數(shù)值積分法、蒙特卡洛法等。其中有限元法被人們廣泛應(yīng)用，在眾多的有限元軟件中，ANSYS是融結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)、流體電磁和聲學(xué)等于一體的大型通用軟件，其作為一個(gè)較完善的數(shù)值模擬通用軟件已成功地應(yīng)用于很多領(lǐng)域。通過ANSYS友好的用戶界面，可以方便地構(gòu)建有限元模型，在分析處理模塊中，可模擬多種物

15、理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力[1]。對20鋼進(jìn)行水淬溫度場模擬，避免了只根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)而造成的人力財(cái)力的浪費(fèi)，因此對20鋼水淬過程溫度場模擬是很有價(jià)值的。</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)研究的目的及意義</p><p>　　1).鋼鐵材料雖不屬高科技的先進(jìn)材料，但因具有優(yōu)良的力學(xué)性能、工藝性能和低的成本，使其在21世紀(jì)中仍將占有重要地位，其他種材料如高分子材料、陶瓷

16、或復(fù)合材料可能會少量地代替金屬材料，但鋼鐵材料的應(yīng)用不可能大幅度衰減[2]。鋼鐵是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容[3]。</p><p>　　2).通過對20鋼的熱處理，改變了20鋼的金相組織。材料的性能取決于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只有改變了材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)才能達(dá)到改變或控制材料性能的目的，所以材料的制備和加工工藝常常對材料性能起著決定性作用[4]。&

17、lt;/p><p>　　3).對20鋼進(jìn)行淬火，使過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體和貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或貝氏體組織，以大幅提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求[5]。</p><p>　　4).通過利用ANSYS軟件對水淬過程溫度場的進(jìn)行了數(shù)值模擬，節(jié)點(diǎn)等值線圖可以清晰直觀地反映水淬過程任意時(shí)刻，任意節(jié)點(diǎn)的溫度場分布。數(shù)值模擬的結(jié)果符合生產(chǎn)實(shí)際并且運(yùn)

18、算速度較快。該方法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的人工測量和經(jīng)驗(yàn)判斷方法。為優(yōu)化熱處理工藝提高零件質(zhì)量提供一定的理論依據(jù) [6]。</p><p>　　5).淬火過程中的溫度場直接影響到金屬及合金的熱應(yīng)力分布，而用實(shí)驗(yàn)的方法得到淬火冷卻時(shí)整個(gè)零件的溫度分布情況是十分困難的[7]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值計(jì)算的廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)模擬(或稱數(shù)值模擬)得到了迅猛發(fā)展。淬火冷卻過程的計(jì)算機(jī)模擬就是利用計(jì)算機(jī)求解各場量的數(shù)值解。這種數(shù)值模擬

19、雖然不能直接給出組織分布，應(yīng)力分布與工藝參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，但是它能對工件的溫度場、組織場和應(yīng)力場進(jìn)行耦合計(jì)算，給出每一瞬間的溫度場、組織場和應(yīng)力場的分布，并且直接地觀察到各場量在淬火過程中的變化情況[8]。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外淬火模擬領(lǐng)域研究動態(tài)</p><p>　　熱處理過程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，目前的研究只能達(dá)到逼近有效和某種程度上的復(fù)制及預(yù)測。國外在熱處理計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域的

20、研究起步較早，成果較多。F.M.B.Fenrnades等人建立了相當(dāng)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)模型并對鋼淬火冷卻過程中相變的數(shù)學(xué)計(jì)算進(jìn)行了深入的探討。B.Bucmhyar和J.S.Kiarldy也研究出了一套仿真低合金鋼在淬火冷卻過程中的溫度場和相變行為的系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是溫度場和微觀組織分布的計(jì)算之間實(shí)現(xiàn)了循環(huán)修正(耦合)。Ji Woong Jang和In-Wook等對淬火變形進(jìn)行了模擬預(yù)測。Tamas Reti和Zoltna Fride等用多相轉(zhuǎn)變

21、模型模擬了鋼的淬火過程。A.Ynaez、J.c.Alvarez等用大型通用商業(yè)有限元軟件ANSYS對激光淬火過程的溫度場分布進(jìn)行了模擬。</p><p>　　我國開展熱處理數(shù)值模擬工作較晚。首先，是一些訪問學(xué)者和留學(xué)生在國外留學(xué)時(shí)開展了這方面的研究。進(jìn)入80年代后，國內(nèi)一些大專院校和科研單位、企業(yè)才陸續(xù)開展這方面的工作。近10年來國內(nèi)外學(xué)者在熱處理計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。清華大學(xué)的劉莊、吳景之等對熱處理數(shù)

22、學(xué)模型進(jìn)行了深入的探討，出版了《熱處理過程的數(shù)值模擬》一書。上海交大的潘健生、胡明娟等模擬了P20大鍛件淬火的溫度場、顯微組織場及力學(xué)性能等，特點(diǎn)是考慮了相變潛熱、熱物性參數(shù)的非線性對溫度場的影響；此外還對界面突變的淬火過程進(jìn)行了研究。大連理工大學(xué)的張立文等用有限元法對35CrMo大鍛件淬火過程的瞬態(tài)溫度場進(jìn)行了計(jì)算研究。昆明理工大學(xué)的謝建斌和何天淳等研究過淬火時(shí)的過冷沸騰邊界和相變的熱傳導(dǎo)問題。燕山大學(xué)的陳乃錄、高長銀等對水、油等淬火

23、介質(zhì)的動態(tài)冷卻特性及換熱系數(shù)進(jìn)行了研究。這些成果都顯著推動了我國在這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并對實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用產(chǎn)生了積極的影響。</p><p>　　當(dāng)前淬火過程數(shù)值模擬的研究主要可以分為經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和有限元法模擬兩大類[9]。</p><p><b>　　2 有限單元法概述</b></p><p>　　2.1 有限元基本原理</p>

24、<p>　　有限單元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。它是50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域如飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值計(jì)算方法，隨后很快就廣泛地應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)性問題。</p><p>　　有限單元法分析計(jì)算的思路和作法可歸結(jié)如下(這里主要以靜力學(xué)分析為例)：</p><p>　　2.1.1 物體離散化</

25、p><p>　　將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為有各種單元組成的計(jì)算模型，這一步稱作單元的剖分。離散后單元與單元之間利用節(jié)點(diǎn)相互連接起來，單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問題的性質(zhì)、描述的變形形態(tài)和計(jì)算精度而定(一般情況,單元?jiǎng)澐衷郊?xì)則描述問題情況越精確，即越接近實(shí)際，但計(jì)算量越大)。所以有限元法分析的對象已不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同樣材料的由眾多單元以一定方式連接成的離散體。這樣，用有限單元分析計(jì)算所獲得的結(jié)果只是近似的。

26、如果劃分單元數(shù)目非常多而又合理，則所獲得的結(jié)果就與實(shí)際情況越相符合。</p><p>　　2.1.2 單元特性分析</p><p>　?。?）選擇位移模式。在有限單元法中，位移模式有位移法、力法和混合法。其中，位移法應(yīng)用范圍最廣，即選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量。當(dāng)采用位移法時(shí)，物體或結(jié)構(gòu)物離散之后，就可把單元中的一些物理量如位移、應(yīng)變和應(yīng)力等由節(jié)點(diǎn)位移來表示。這時(shí)可以對單元中位移的分布采用

27、一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，有限元法將位移表示為坐標(biāo)變量的簡單函數(shù)。</p><p>　?。?）分析單元的力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時(shí)，需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?，這是有限元法的基本步驟之一。</p><p>　　（3）

28、計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力。物體離散后，假定力是通過節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元。但是，對于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊傳遞到另一個(gè)單元中去的。因而，作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效的移到節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來代替所有作用在單元上的力。</p><p>　　2.1.3 單元組集</p><p>　　利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來的結(jié)構(gòu)重新連接起來，形

29、成整體有限元方程:</p><p>　　Kq=f (2-1)</p><p>　　式中，K是整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；q是節(jié)點(diǎn)位移列陣；f是載荷列陣。</p><p>　　2.1.4 求解未知節(jié)點(diǎn)位移</p><p>　　解有限元方程式(2-1)得出位移，這里可以根據(jù)方程組的具體特

30、點(diǎn)來選定合適的計(jì)算方法。通過上述分析，可以看出，有限單元法的基本思想是“一分一合”，“分”是為了進(jìn)行單元分析，“合”則為了對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析[9]。圖2.1為一般有限元分析計(jì)算流程。</p><p>　　2.2 ANSYS軟件</p><p>　　2.2.1 ANSYS簡介</p><p>　　ANSYS軟件是融合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有

31、限元分析軟件，可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)行，從PC到工作站直到巨型計(jì)算機(jī)，ANSYS文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容。ANSYS多物理場耦合的功能，允許在同一模型上進(jìn)行各式各樣的耦合計(jì)算成本，如：熱—結(jié)構(gòu)耦合、磁—結(jié)構(gòu)耦合以及電—磁—流體—熱耦合，在PC上生成的

32、模型同樣可運(yùn)行于巨型機(jī)上，這樣就確保了ANSYS對多領(lǐng)域多變工程問題的求解。</p><p>　　2.2.2 ANSYS的發(fā)展</p><p>　　ANSYS能與多數(shù)CAD軟件結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級CAD工具之一。</p><p>　　ANSYS

33、軟件提供了一個(gè)不斷改進(jìn)的功能清單，具體包括結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體力學(xué)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、大應(yīng)變/有限轉(zhuǎn)動功能以及利用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語言（APDL）的擴(kuò)展宏命令功能?；贛otif的菜單系統(tǒng)使用用戶能夠通過對話框、下拉式菜單和子菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇，為用戶使用ANSYS提供導(dǎo)航。</p><p>　　2.2.3 ANSYS的功能</p><p&g

34、t;<b>　　1.結(jié)構(gòu)分析</b></p><p>　　靜力分析——用于靜態(tài)載荷?？梢钥紤]結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為，例如：大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力鋼化、接觸、塑性、超彈性及蠕變等。</p><p>　　模態(tài)分析——計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形，譜分析是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算由隨機(jī)振動引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變（也叫做響應(yīng)譜或PSD）。</p><p>

35、　　諧響應(yīng)分析——確定線性結(jié)構(gòu)對隨時(shí)間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng)。</p><p>　　瞬態(tài)動力學(xué)分析——用于計(jì)算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀（結(jié)合瞬態(tài)動力學(xué)分析可以實(shí)現(xiàn)非線性屈曲分析）</p><p>　　專項(xiàng)分析——斷裂分析、復(fù)合材料分析、疲勞分析。</p><p>　　專項(xiàng)分析用于模擬非常大的變形，慣性力占支配地位，并考慮所有的非線性行。它的顯式方程求解沖擊

36、、碰撞、快速成型等問題，是目前求解這類問題最有效的方法。</p><p>　　2.ANSYS熱分析</p><p>　　熱分析一般不是單獨(dú)的，其后往往進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算由于熱膨脹或收縮不均勻引起的應(yīng)力。熱分析包括以下類型。</p><p>　　相變（溶化及凝固）——金屬合金在溫度變化的相變，如鐵合金中馬氏體與奧氏體的轉(zhuǎn)變。</p><p>　

37、　內(nèi)熱源（例如電阻發(fā)熱等）——存在熱源問題，如加熱爐中對試件進(jìn)行加熱。</p><p>　　熱傳導(dǎo)——熱傳遞的一種方式，當(dāng)相接觸的兩物體存在溫度差時(shí)發(fā)生。</p><p>　　熱對流——熱傳遞的一種方式，當(dāng)存在流體、氣體和溫度差時(shí)發(fā)生。</p><p>　　熱輻射——熱傳遞的一種方式，只要存在溫度差時(shí)就會發(fā)生，可以在真空中進(jìn)行。</p><p&g

38、t;　　3.ANSYS電磁分析</p><p>　　電磁分析中考慮的物理量是磁通量密度、磁場密度、磁力、磁力矩、阻抗、電感、渦流、耗能及磁通量泄漏等。磁場可由電流、永磁體、外加磁場等產(chǎn)生。磁場分析包括以下類型。</p><p>　　靜磁場分析——計(jì)算直流電（DC）或永磁體產(chǎn)生的磁場。</p><p>　　交變磁場分析——計(jì)算由交于交流電（AC）產(chǎn)生的磁場。</

39、p><p>　　瞬態(tài)磁場分析——計(jì)算隨時(shí)間隨機(jī)變化的電流或外界引起的磁場。</p><p>　　電場分析——用于計(jì)算電阻或電容系統(tǒng)的電場。典型的物理量有電流密度、電荷密度、電場及電阻熱等。</p><p>　　高頻電磁場分析——用于微波及RF無源組件，波導(dǎo)、雷達(dá)系統(tǒng)、同軸連接器等。</p><p>　　4.ANSYS流體分析</p>

40、<p>　　流體分析主要用于確定流體的流動及熱行為。流體分析包括以下類型。</p><p>　　CFD（Coupling Fluid Dynamic耦合流體動力）——ANSYS/FLOTRAN提供強(qiáng)大的計(jì)算流體動力學(xué)分析功能，包括不可壓縮或可壓縮流體、層流及湍流以及多組分流等。</p><p>　　聲學(xué)分析——考慮流體介質(zhì)與周圍固體的影響。可以確定由于晃動引起的靜力壓力。<

41、;/p><p>　　流體動力耦合分析——在考慮流體約束質(zhì)量的動力響應(yīng)基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析中使用流體耦合單元。</p><p>　　5.ANSYS耦合場分析</p><p>　　耦合場分析主要考慮兩個(gè)或多個(gè)物理場之間的相互作用。如果兩個(gè)物理場之間相互影響，單獨(dú)求解一個(gè)物理場是不可能得到正確結(jié)果的，因此需要一個(gè)能夠?qū)蓚€(gè)物理場組合到一起求解的分析軟件。例如：在壓電力分析

42、中，需要同時(shí)求解電壓分布（電場分析）和應(yīng)變（結(jié)構(gòu)分析）[11]。</p><p><b>　　3數(shù)值模擬過程</b></p><p>　　3.1 瞬態(tài)熱分析的基本步驟</p><p><b>　　3.1.1 建模</b></p><p>　　（1）確定jobname、title、unit。<

43、;/p><p>　?。?）進(jìn)入PREP7前處理，定義單元類型，設(shè)定單元選項(xiàng)。</p><p>　?。?）定義單元實(shí)常數(shù)。</p><p>　?。?）定義材料熱性能參數(shù)，對于瞬態(tài)熱分析，除材料導(dǎo)熱系數(shù)的定義之外，還需要定義材料的密度和比熱容。其數(shù)值可以是恒定的，也可以隨溫度變化。</p><p>　?。?）創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格。</p>

44、;<p>　　3.1.2 施加載荷并計(jì)算</p><p>　?。?）定義分析類型：如果進(jìn)行新的熱分析，則執(zhí)行Main Mennu→Sloution→Analysis Type→New Analysis，選中Transient。如果增加邊界條件后繼續(xù)上一次分析，則執(zhí)行Main Menu→Sloution→Analsis Type→Restart。</p><p>　?。?）為

45、分析建立初始條件；瞬態(tài)熱分析的初始條件來自于為所有節(jié)點(diǎn)設(shè)定初始溫度，或者一個(gè)穩(wěn)態(tài)計(jì)算的結(jié)果。初始均勻溫度僅對分析的第一個(gè)子步有效。</p><p>　?。?）設(shè)置其他邊界條件和載荷；包括在實(shí)體模型或有限元模型上施加溫度、熱流率、對流、熱流密度和熱生產(chǎn)率等5種載荷。</p><p>　?。?）設(shè)置載荷步和載荷施加方式。</p><p>　?。?）定義通用選項(xiàng)。<

46、/p><p>　?。?）定義非線性選項(xiàng)。</p><p><b>　?。?）輸出控制。</b></p><p><b>　?。?）進(jìn)行計(jì)算。</b></p><p>　　3.1.3 后處理</p><p>　　后處理分為通用后處理和時(shí)間-歷程后處理[12]。</p>

47、<p>　　3.2 數(shù)值模擬的內(nèi)容</p><p>　　3.2.1材料及參數(shù)的選擇</p><p><b>　　（1）20鋼的性質(zhì)</b></p><p>　　20號鋼，含碳量為0.2%，該鋼屬于優(yōu)質(zhì)低碳碳素鋼，冷擠壓、深碳淬硬鋼。該鋼強(qiáng)度低，韌性、塑性和焊接性均好?？估瓘?qiáng)度為253-500MPa，伸長率≥24%。密度是7.85

48、，無沖擊韌度。查資料得20號鋼的相變點(diǎn)溫度（近似值）Ac1=735℃，Ac3=855℃，Ar3=835℃，Ar1=680℃。</p><p><b>　　（2）20鋼的應(yīng)用</b></p><p>　　冷變形塑性高，一般供彎曲、壓延用，為了獲得好的深沖壓延性能，板材應(yīng)正火或高溫回火；用于不經(jīng)受很大應(yīng)力而要求很大韌性的機(jī)械零件，如軸套、螺釘、杠桿軸、變速箱變速叉、齒輪、

49、重型機(jī)械拉桿、鉤環(huán)等，還可用于表面硬度高而心部強(qiáng)度要求不大的滲碳于氰化零件。</p><p>　?。?）材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能及熱物性參數(shù)</p><p>　　20鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能和熱物理參數(shù)分別見表3.1、3.2和3.3所示。</p><p>　　表3 .1 20號鋼的化學(xué)成分</p><p>　　表3.2 20號鋼的力學(xué)性

50、能</p><p>　　表3.3 20鋼的熱物理性能數(shù)據(jù)表[10]</p><p>　　3.2.2 加熱溫度的選擇</p><p>　　淬火是將鋼或合金加熱到臨界溫度Ac1(過共析鋼)或Ac3（亞共析鋼）以上30～50℃，保溫一定時(shí)間，使鋼的組織全部或大部分奧氏體化，然后在水或油等介質(zhì)中快速冷卻，以得到高硬度的淬火馬氏體組織的一種工藝方法,淬火可以提高鋼的硬度和

51、耐磨性、提高彈性、提高強(qiáng)韌性、提高耐蝕性和耐熱性。</p><p>　　總之，鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、彈性、韌性、疲勞強(qiáng)度等等，都可以利用淬火與回火使之大大提高，所以，淬火是強(qiáng)化鋼鐵的主要手段之一。</p><p>　　查資料得20號鋼的相變點(diǎn)溫度（近似值）Ac1=735℃，Ac3=855℃，Ar3=835℃，Ar1=680℃，20鋼屬于亞共析鋼，故將試樣加熱到890℃，然后保溫。<

52、/p><p><b>　　3.2.3 建模</b></p><p>　　（1）執(zhí)行Utility Menu→File→Change Jobname命令，出現(xiàn)Change Jobname對話框。在Enter new jobname文本框中輸入工作文件名125011308，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。</p><p>　　（2）執(zhí)行Main Menu→

53、Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete命令，出現(xiàn)Element Type對話框，單機(jī)Add按鈕，出現(xiàn)Library of Element Types對話框。按照圖3.1選擇4節(jié)點(diǎn)二維熱實(shí)體PLANE55，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。</p><p>　　3.1 Library of Element Types對話框</p><p>　?。?）在E

54、lement Type對話框中選擇如圖3.2中的1，打開PLAN55 element type options對話框后點(diǎn)選下拉菜單2，選擇軸對稱Axisymmetric選項(xiàng)，單擊OK按鈕并關(guān)閉Element Type對話框。</p><p>　　圖3.2 設(shè)定單元選項(xiàng)</p><p>　?。?）定義材料熱性能參數(shù)</p><p>　　執(zhí)行Main Menu→Prep

55、rocessor→Material Props→Material Models命令</p><p>　　出現(xiàn)Define Material Model Behavior對話框，點(diǎn)選Thermal出現(xiàn)如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 定義材料性能參數(shù)選項(xiàng)</p><p>　　點(diǎn)選Density后在DENS對話框中輸入7800后單擊OK。</p>

56、;<p>　　由于20鋼導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容隨溫度變化而變化，故在設(shè)置時(shí)需要添加溫度。</p><p>　　點(diǎn)選Conductivity→Isotropic后點(diǎn)擊Add Temperature添加溫度，按照表3.3設(shè)置20鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，其中Temperatures為溫度，KXX為導(dǎo)熱系數(shù)。</p><p>　　點(diǎn)選Specific Heat后點(diǎn)擊Add Temperature添加

57、溫度，按照表3.3設(shè)置20鋼的比熱容，其中Temperatures為溫度，C為比熱容。設(shè)置完成后關(guān)閉對話框。</p><p>　?。?）由于模擬采用的是20鋼圓柱體模型，形成的溫度場是軸對稱的，因此，對計(jì)算模型進(jìn)行簡化，取圓柱體縱截面的1/4進(jìn)行分析，這樣可以大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間且不會影響結(jié)果的精度。</p><p>　　執(zhí)行Main Menu→Preprocessor→Modeling→Cr

58、eate→Areas→Rectangle→By Dimensions命令，出現(xiàn)Create Rectangle by Dimensions對話框。參照圖3.4對其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。</p><p>　　圖3.4 生成矩形面對話框</p><p>　　執(zhí)行Main Menu→Preprocessor→Meshing→Size Cntrls→Manualsize→Global

59、</p><p>　　→Size，彈出Global Element Sizes對話框，在SIZE Element edge length項(xiàng)輸入0.0005，單擊OK按鈕，設(shè)置網(wǎng)格密度。</p><p>　　執(zhí)行Main Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh→Areas→Free,彈出拾取對話框，單擊剛剛建立的矩形，所得有限元模型如圖3.5所示。</p>

60、<p>　　圖3.5 所得有限元模型</p><p>　　3.2.2 加熱過程求解</p><p>　?。?）設(shè)置新的瞬態(tài)熱分析，Main Mennu→Sloution→Analysis Type→New Analysis，選中Transient。單擊OK按鈕，彈出Transient Analysis對話框，接受默認(rèn)設(shè)置，單擊OK按鈕。</p><p>

61、;　?。?）輸出控制，Main Mennu→Sloution→Analysis Type→Sol’n Controls,彈出如圖3.6所示的Solution Controls對話框，并按照圖3.6設(shè)置完成后單擊Transient對話框，在Transient effects選項(xiàng)前打勾并單擊OK關(guān)閉對話框。</p><p>　　圖3.6 輸出控制對話框</p><p>　　執(zhí)行Main Men

62、nu→Sloution→Analysis Type→Analysis Options命令，出現(xiàn)Full Transient Analysis對話框。在[EQSLV] Equation solver下拉列表框中選擇jacobi Conj Grad選項(xiàng)，在[TOFFST]Temperature difference between absolute zero and zero of active temp scale選項(xiàng)中填寫273后按OK

63、關(guān)閉對話框。</p><p>　　執(zhí)行Main Mennu→Sloution→Load Step Opts →Time/Frequenc→Time-Time step，彈出如圖3.7所示的Time and Time Step Options對話框，并按圖3.7設(shè)置。</p><p>　?。?）施加初始溫度，執(zhí)行Main Mennu→Sloution→Define Loads→Apply→T

64、hermal →Temperature→UniformTemp命令，出現(xiàn)Uniform Temperature對話框，在文本框中輸入20，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。</p><p>　　圖3.7 Time and Time Step Options對話框</p><p>　?。?）施加邊界條件，執(zhí)行Main Mennu→Sloution→Define Loads→Apply→Thermal

65、 →Convection→On Nodes，出現(xiàn)Apply CONV on Nodes對話框，選擇BOX，并選擇矩形的頂邊與右邊上的所有點(diǎn)，然后單擊OK出現(xiàn)Apply CONV on Nodes對話框，輸入結(jié)果如圖3.8所示。</p><p>　?。?）求解，執(zhí)行Main Mennu→Sloution→Solve→Current LS。</p><p>　　圖3.8 施加對流載荷對話框&l

66、t;/p><p>　　圖3.9 輸出控制對話框</p><p>　　3.2.3 水淬過程求解</p><p>　　（1）設(shè)置新的瞬態(tài)熱分析，Main Mennu→Sloution→Analysis Type→New Analysis，選中Transient。單擊OK按鈕，彈出Transient Analysis對話框，接受默認(rèn)設(shè)置，單擊OK按鈕。</p>

67、<p>　?。?）輸出控制，Main Mennu→Sloution→Analysis Type→Sol’n Controls,彈出如圖3.6所示的Solution Controls對話框，并按照圖3.9設(shè)置完成后單擊Transient對話框，在Transient effects選項(xiàng)前打勾并單擊OK關(guān)閉對話框。</p><p>　　執(zhí)行Main Mennu→Sloution→Analysis Type→

68、Analysis Options命令，出現(xiàn)Full Transient Analysis對話框。在[EQSLV] Equation solver下拉列表框中選擇jacobi Conj Grad選項(xiàng)，在[TOFFST]Temperature difference between absolute zero and zero of active temp scale選項(xiàng)中填寫273后按OK關(guān)閉對話框。</p><p>

69、;　　執(zhí)行Main Mennu→Sloution→Load Step Opts →Time/Frequenc→Time-Time step，彈出如圖3.10所示的Time and Time Step Options對話框，并按圖3.10設(shè)置。</p><p>　　圖3.10 Time and Time Step Options對話框</p><p>　?。?）施加初始溫度，執(zhí)行Main M

70、ennu→Sloution→Define Loads→Apply→Thermal →Temperature→UniformTemp命令，出現(xiàn)Uniform Temperature對話框，在文本框中輸入890，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。</p><p>　?。?）施加邊界條件，執(zhí)行Main Mennu→Sloution→Define Loads→Apply→Thermal →Convection→On Nodes，

71、出現(xiàn)Apply CONV on Nodes對話框，選擇BOX，并選擇矩形的頂邊與右邊上的所有點(diǎn)，然后單擊OK出現(xiàn)Apply CONV on Nodes對話框，輸入結(jié)果如圖3.11所示。</p><p>　　圖3.11 施加對流載荷對話框</p><p>　?。?）求解，執(zhí)行Main Mennu→Sloution→Solve→Current LS。</p><p>　

72、　3.2.4 后處理</p><p>　?。?）查看溫度分布云圖，執(zhí)行Main Menu→General Postproc→Read Results→By Pick，出現(xiàn)如圖3.12所示，選擇所需要的時(shí)間，點(diǎn)擊Read，并點(diǎn)擊Close關(guān)閉對話框。</p><p>　　執(zhí)行Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot →Noda

73、l solu，出現(xiàn)Contour Nodal Solution Data對話框，單擊Nodal Solution→DOF Solution→Nodal Temperature→OK，就會顯示出所讀時(shí)間的溫度場分布云圖。</p><p>　　圖3.12 載荷步選取對話框</p><p>　　圖3.13 TimeHistory Variables對話框</p><p>

74、;　　（2）利用時(shí)間-歷程后處理器，查看加熱過程矩形上特殊點(diǎn)隨時(shí)間的溫度變化，</p><p>　　執(zhí)行Main Menu→TimeHist Postpro，出現(xiàn)TimeHistory Variables對話框，如圖3.13。</p><p>　　圖3.14 Add Time-History Variable對話框</p><p>　　單擊加號出現(xiàn)圖3.14對話

75、框，在如圖框1處選擇溫度為變量，在框2處改變該變量的名字。確定后單擊OK，出現(xiàn)Node for Data對話框，拾取矩形上所需要的點(diǎn)后單擊OK關(guān)閉對話框。</p><p>　　單擊圖3.13中的顯示變量曲線，顯示所選點(diǎn)隨時(shí)間的溫度變化曲線。</p><p><b>　　4結(jié)果與分析</b></p><p>　　4.1 20鋼圓柱體加熱過程&l

76、t;/p><p>　　圖4.1 20鋼圓柱體加熱5S時(shí)溫度場分布（攝氏度）</p><p>　　圖4.1描述的是20鋼圓柱體加熱5S時(shí)圓柱體縱截面上半部分的溫度場分布。從圖中可以看出，從右上角開始，由外到內(nèi)依次為紅色、橙色、黃色、淡黃色、青色、淺綠色、綠色、淺藍(lán)色、藍(lán)色，并呈梯形云圖分布。其中紅色代表的溫度范圍是24.1809-24.3824℃，溫度最高，藍(lán)色代表的溫度范圍是22.5693-

77、22.7708℃，溫度最低，其他各色依次由外到內(nèi)溫度逐漸降低。</p><p>　　圖4.2 20鋼圓柱體加熱100S時(shí)溫度場分布（攝氏度）</p><p>　　圖4.3 20鋼圓柱體加熱1000S時(shí)溫度場分布（攝氏度）</p><p>　　圖4.4 20鋼圓柱體加熱1900S時(shí)溫度場分布（攝氏度）</p><p>　　由圖4.1、4.

78、2、4.3、4.4可知，20鋼圓柱體加熱時(shí)的溫度場分布圖來看，加熱初期，20鋼圓柱體剛剛放置在加熱爐中，溫度變化相對明顯，其體心溫度最低。從圓柱體外部到體心之間形成了呈梯度分布的溫度場，與空氣接觸的外表面溫度先升高，而圓柱體體心部分的溫度最后升高，說明了20鋼圓柱體和空氣之間發(fā)生了熱傳導(dǎo)。</p><p>　　由于20鋼圓柱體的特殊性，選取圓柱體體心點(diǎn)、頂面圓形邊上點(diǎn)、頂面圓心點(diǎn)，3個(gè)特殊點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系

79、曲線，即可代表20鋼圓柱體在加熱過程的整體變化。</p><p>　　如圖4.5，20鋼圓柱體3個(gè)特殊點(diǎn)加熱時(shí)溫度隨時(shí)間變化的曲線圖，通過看圖可知，20鋼圓柱體上3個(gè)特殊點(diǎn)的變化趨勢相同。</p><p>　?。╝）體心點(diǎn)的溫度變化曲線 (b)圓柱體圓形邊上點(diǎn)的溫度變化曲線 (c)圓柱體頂面心點(diǎn)的溫度變化曲線</p

80、><p>　　圖4.5 20鋼圓柱體3個(gè)特殊點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線（攝氏度）</p><p>　　圖4.6 20鋼圓柱體3個(gè)特殊點(diǎn)前50S加熱時(shí)溫度隨時(shí)間變化曲線（攝氏度）</p><p>　　由圖4.6，可以看出20鋼在加熱時(shí)，前50S的溫度變化是均勻的，再結(jié)合圖4.5可知，在20鋼加熱過程中，整體溫度的變化趨勢是均勻的。</p><p>　

81、　圖4.7 特殊溫度區(qū)間溫度隨時(shí)間變化曲線（攝氏度）</p><p>　　由圖4.7可以看出，20鋼圓柱體加熱至890℃時(shí)，大約需要20000S。讀取20000S左右的20鋼溫度場云圖如圖4.8所示，其溫度為889.971℃，證明了將20鋼圓柱體加熱至890℃需要20000S。</p><p>　　圖4.8 20鋼圓柱體加熱20000S時(shí)溫度場分布圖（攝氏度）</p>&l

82、t;p>　　4.2 20鋼圓柱體水淬過程</p><p>　　圖4.9 20鋼圓柱體水淬5S時(shí)的溫度場分布（攝氏度）</p><p>　　圖4.10 20鋼圓柱體水淬100S時(shí)的溫度場分布（攝氏度）</p><p>　　圖4.11 20鋼圓柱體水淬400S時(shí)的溫度場分布（攝氏度）</p><p>　　圖4.12 20鋼圓柱體水

83、淬1000S時(shí)的溫度場分布（攝氏度）</p><p>　　分析圖4.9至圖4.12可知，20鋼圓柱體水淬初期，20鋼圓柱體剛剛放置在水中，溫度變化相對明顯，其體心溫度最高。從圓柱體外部到體心之間形成了呈梯度分布的溫度場，與水接觸的外表面溫度先降低，而圓柱體體心部分的溫度最后降低，說明了20鋼圓柱體和水之間發(fā)生了熱傳導(dǎo)。</p><p>　　(a)體心點(diǎn)的溫度變化曲線

84、 (b) 圓柱體圓形邊上點(diǎn)的溫度變化曲線</p><p>　　(c)圓柱體頂面心點(diǎn)的溫度變化曲線</p><p>　　圖4.13 20鋼圓柱體特殊點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線（攝氏度）</p><p>　　20鋼通過水淬后得到板條狀低碳馬氏體。這種組織具有板條狀形態(tài)及位錯(cuò)型結(jié)構(gòu)，具有較高的硬度，良好的塑形和韌性，在淬火狀態(tài)，強(qiáng)度高而塑性、韌性良好。在靜載荷、

85、交變載荷及多次沖擊載荷下，缺口敏感性及過載敏感性都較低[13]。</p><p>　　20鋼圓柱體3個(gè)特殊點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線見圖4.13 </p><p>　　圖4.14 特殊溫度區(qū)間溫度隨時(shí)間變化曲線（攝氏度）</p><p>　　由圖4.14可以看出，20鋼圓柱體水淬至20℃時(shí)，大約需要2400S。讀取2400S左右的20鋼溫度場云圖如圖4.15所示，其溫度為

86、20.0126℃，證明了將20鋼圓柱體水淬至20℃需要2400S。</p><p>　　圖4.15 20鋼圓柱體水淬2410S時(shí)的溫度場分布（攝氏度）</p><p><b>　　5 展望</b></p><p>　?。?）利用ANSYS進(jìn)行淬火過程溫度場分析，可以為淬火過程熱應(yīng)力，殘余應(yīng)力的計(jì)算準(zhǔn)備溫度條件[14]。</p>

87、<p>　　（2）熱物理性能參數(shù)的改進(jìn)。隨著熱物性參數(shù)測定工作的進(jìn)行，熱物性參數(shù)的數(shù)據(jù)會越來越充分，不需要采用粗略的數(shù)據(jù)（如低碳鋼、高強(qiáng)鋼的典型鋼種的數(shù)據(jù)來模擬其他材料的淬火過程）。</p><p>　?。?）網(wǎng)格優(yōu)化。一方面,計(jì)算機(jī)性能的飛速發(fā)展,電腦能夠承受越來越大的計(jì)算量，網(wǎng)格可以盡量細(xì)分以達(dá)到模擬現(xiàn)實(shí)情況的目的；另一方面，隨著淬火中“虛擬工程”概念的實(shí)現(xiàn)，計(jì)算大型構(gòu)件的淬火過程將會越來越頻繁，這

88、時(shí)就必須采用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，如淬火試樣表面和心部的單元密度有個(gè)平滑過渡[9]。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)采用ANSYS軟件對20鋼圓柱體水淬過程溫度場變化進(jìn)行模擬，得出20鋼加熱過程、冷卻過程的溫度場分布圖和關(guān)鍵點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化關(guān)系圖，分析了20鋼熱處理前后組織和力學(xué)的變化。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，主要得出以下結(jié)論：</

89、p><p>　?。?）分析20鋼圓柱體加熱過程溫度場分布云圖，可知20鋼圓柱體從圓柱體外部到體心之間形成呈梯度分布的溫度場，并且該圓柱體的圓形邊最先升高溫度，加熱設(shè)計(jì)中的20鋼圓柱體，大約需要20000S。</p><p>　?。?）分析20鋼圓柱體水淬過程溫度場分布云圖，可知20鋼圓柱體從圓柱體外部到體心之間形成呈梯度分布的溫度場，并且該圓柱體的圓形邊最先降低溫度，水冷設(shè)計(jì)中的20鋼圓柱體，

90、大約需要2400S。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1].李剛,韓文月,任晶鑫,金紅梅.20鋼滲碳過程中溫度場及應(yīng)力場的數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程材料，2013.4,37(4)</p><p>　　[2].料科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[3].李

91、慧中.機(jī)械工程材料實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:中國水利水電出版社，2011.4</p><p>　　[4].文九巴.機(jī)械工程材料[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.1</p><p>　　[5].王志剛.金屬熱處理綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2012.4</p><p>　　[6].張建峰,王翠玲,吳玉萍,顧明.ANSYS有限元分析軟件在熱分析中的應(yīng)用

92、[J].冶金能源，2004(05)</p><p>　　[7].殷雯,雷宏.對稱鋼件淬火過程溫度場分布的數(shù)值模擬[N]. 集美大學(xué)學(xué)報(bào), 1998,55-59,3(4)</p><p>　　[8].張敏.淬火冷卻過程的數(shù)值模擬[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2003</p><p>　　[9].馮曉丹.幾種鋼材淬火過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬優(yōu)化的研究[D].武漢:武漢大學(xué)，20

93、05.3</p><p>　　[10]. 李文，鄒雋，鄭勤，劉凡，蔣晶.20鋼中厚板對焊過程溫度場的數(shù)值模擬[J].中國水運(yùn)，2009.4，9(4)</p><p>　　[11]. 李兵，宮鵬函.ANSYS14有限元分析自學(xué)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013.4</p><p>　　[12].凌桂龍.ANSYS14熱力學(xué)分析從入門到精通[M].北京；清華大學(xué)

94、出版社，2013.6</p><p>　　[13].陳忠軍，李峰.20鋼淬火工藝[J].一重技術(shù)，2006，110(2)</p><p>　　[14].賴宏，劉天模.45鋼零件淬火過程溫度場的ANSYS模擬[N].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2003.3，26(3)</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本文是

95、在導(dǎo)師婁菊紅副教授的悉心指導(dǎo)下完成的。婁老師多次詢問設(shè)計(jì)進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。婁老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神，不僅授我以文，而且教我做人，給以終生受益無窮之道。對婁老師的感激之情是無法用言語表達(dá)的。</p><p>　　感謝我的同學(xué)們，在大學(xué)生活、學(xué)習(xí)中給予我?guī)椭凸膭?lì)。</p><p>　　感謝我的親人多年來無私的給予和關(guān)懷，