機(jī)械設(shè)計(jì)畢業(yè)論文-t10鋼熱處理淬火過程溫度場分析

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題目：T10鋼熱處理淬火過程溫度場分析</p><p>　　學(xué) 院 </p><p>　　專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 <

2、/p><p>　　學(xué)生學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　提交日期 </p><p><b>　　誠信聲明</b></p><

3、p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日 </p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目：T10鋼熱處理淬火過程溫度場分析&l

4、t;/p><p>　　1．課題意義及目標(biāo) </p><p>　　學(xué)生應(yīng)通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，運(yùn)用所學(xué)過的金屬學(xué)及熱處理等專業(yè)知識(shí)，了解T10鋼的概況、鋼的熱處理原理和熱處理工藝；熟悉T10鋼的熱處理工藝方法；熟悉ANSYS軟件；掌握ANSYS軟件計(jì)算熱處理過程溫度場的方法，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)。</p><p><b>　　2．主要任務(wù)

5、</b></p><p>　　（1）制定T10鋼熱處理工藝。</p><p>　　（2）計(jì)算熱處理加熱過程某些時(shí)刻溫度場的分布及某些特定位置溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。</p><p>　?。?）計(jì)算熱處理冷卻過程某些時(shí)刻溫度場的分布及某些特定位置溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。</p><p>　　（4）分析熱處理過程溫度場分布對(duì)T10鋼組織和

6、力學(xué)性能的影響。</p><p>　　（5）撰寫畢業(yè)論文。結(jié)構(gòu)完整，層次分明，語言順暢；避免錯(cuò)別字和錯(cuò)誤標(biāo)點(diǎn)符號(hào)；格式符合太原工業(yè)學(xué)院學(xué)位論文格式的統(tǒng)一要求。</p><p><b>　　3．主要參考資料</b></p><p>　　[1] 賴宏，劉天模. 45鋼零件淬火過程溫度場的ansys模擬[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，26（03）:8

7、2-84.</p><p>　　[2] 朱圓圓，祁文軍，易挺，等. 鋼件淬火過程溫度場的數(shù)值模擬[J]. 新技術(shù)新工藝，2008，（11）：97-99.</p><p>　　[3] 崔忠圻，覃耀春.金屬學(xué)與熱處理[M]. 北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2007：230-308</p><p><b>　　4．進(jìn)度安排</b></p>&l

8、t;p><b>　　審核人： </b></p><p>　　T10鋼熱處理淬火過程溫度場分析</p><p>　　摘 要：隨著當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，淬火過程的計(jì)算機(jī)模擬越來越受到人們的重視，已成為現(xiàn)在淬火過程研究和淬火工藝設(shè)計(jì)中不必可少的重要方法。本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS軟件的熱分析模塊對(duì)T10鋼圓柱體淬火過程進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分、加載及求解，得到

9、T10鋼圓柱體淬火不同時(shí)刻的溫度場，及T10鋼圓柱體上所選特殊點(diǎn)隨淬火時(shí)間變化的溫度場曲線圖，建立淬火過程的數(shù)學(xué)模型。模擬結(jié)果與實(shí)際情況較為符合，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析出淬火過程溫度場分布對(duì)T10鋼組織和力學(xué)性能的影響。</p><p>　　關(guān)鍵詞：T10鋼 有限元模擬 溫度場</p><p>　　Temperature field analysis of T10 steel during

10、</p><p>　　heat treatment quenching</p><p>　　Abstract：Along with the rapid development of computer technology today, quenching process of the computer simulation more and more by people's att

11、ention, has become now quenching process research and quenching process design does not have to be less important method. In this paper, the thermal analysis module of finite element software ANSYS software of T10 steel

12、cylinder in quenching process of modeling, meshing, loading and solving, the temperature field of quenching of T10 steel cylinder at d</p><p>　　Keywords: T10 steel Finite element simulation Temperature fie

13、ld</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究的目的及意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展2</p><p>　　1.3 研究的主要內(nèi)容及研究手段2</p

14、><p>　　1.3.1 研究的內(nèi)容2</p><p>　　1.3.2 研究的手段3</p><p>　　2 T10鋼熱處理工藝制定及ANSYS軟件4</p><p>　　2.1 T10鋼材料簡介4</p><p>　　2.2 淬火加熱溫度的選擇5</p><p>　　2.3

15、淬火概述6</p><p>　　2.3.1 淬火目的6</p><p>　　2.3.2 淬火必要條件6</p><p>　　2.3.3 淬火介質(zhì)7</p><p>　　2.3.4 淬火工藝曲線8</p><p>　　2.4 ANSYS軟件9</p><p>　　2.4.1

16、 ANSYS軟件概述9</p><p>　　2.4.2 ANSYS有限元分析流程13</p><p>　　3 ANSYS有限元分析15</p><p>　　3.1 淬火過程熱傳導(dǎo)方程15</p><p>　　3.2 ANSYS熱分析15</p><p>　　3.3 基于ANSYA的淬火溫度場分析1

17、6</p><p>　　3.4 定義單元類型17</p><p>　　3.5 前處理階段17</p><p>　　3.5.1 建立模型17</p><p>　　3.5.2 網(wǎng)格劃分18</p><p>　　3.6 溫度場分析19</p><p>　　3.7 水冷特殊位置隨

18、時(shí)間變化20</p><p>　　3.8 模擬結(jié)果分析22</p><p>　　4 結(jié)論和展望24</p><p>　　4.1 課題研究得出結(jié)論24</p><p>　　4.2 展望24</p><p><b>　　致 謝25</b></p><p>

19、;<b>　　參考文獻(xiàn)26</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 研究的目的及意義</p><p>　　在當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)中，金屬材料的應(yīng)用是十分廣泛的，尤其是金屬材料，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、建筑以及國防等各方面都離不開他。隨著現(xiàn)代化及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)金屬材料的性能要求越

20、來越高。為滿足這一要求，一般可以采取兩種方法：研制新材料和對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理。后者是最廣泛，最常用的方法。</p><p>　　碳素工具鋼是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.65%~1.35%之間，經(jīng)過熱處理后可得到高硬度和高耐磨性，主要用于制造各種工具、刃具、模具和量具。與合金工具鋼相比，它的加工性能更良好，價(jià)格低廉，使用范圍廣泛，所以它在工具的生產(chǎn)中需求較大。碳素工具鋼分為碳素刃具鋼、碳素模具鋼和碳素量具鋼。碳素刃具鋼指用

21、于制作切削工具的碳素工具鋼，碳素模具鋼指用于制作冷、熱加工模具的碳素工具鋼，碳素量具鋼指用于制作測量工具的碳素工具鋼。</p><p>　　熱處理是一種綜合工藝。熱處理工藝學(xué)就是研究這種綜合工藝的原理及規(guī)律的一門學(xué)科。熱處理是在沒有改變?cè)胁牧系那闆r下，充分發(fā)揮材料的性能潛力，這對(duì)提高產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量，節(jié)約材料，延長產(chǎn)品的使用壽命，發(fā)揮材料的潛力，提高經(jīng)濟(jì)效益都具有十分重要的意義[1]。而金屬熱處理就是機(jī)械制造中的

22、重要工藝之一，與其他的加工工藝相比，熱處理一般不會(huì)改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或者改變工件表面的化學(xué)成分，改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般并不是肉眼所能看到的。為使金屬工件具有所需的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理的選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機(jī)械工業(yè)制造中應(yīng)用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復(fù)雜，從而可以通過熱處理予以控制，所以鋼的熱處理就是金屬熱

23、處理的主要內(nèi)容。而鋼的熱處理是指把鋼在固態(tài)下加熱、保溫、冷卻，通過以改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)從而獲得所需性能的熱加工工藝[2]。根據(jù)加熱、冷卻方式及獲得的組織和性能的不同，鋼的熱處理工藝可分為普通熱處理（退火、正火、淬火和回火）、表面熱處理（表面淬火和化學(xué)熱處理）及形變熱處理等[3]。熱</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展</p><p>　　金屬熱處理早在公元前就已經(jīng)在使用了，直到

24、二十世紀(jì)以來，金屬物理的發(fā)展和其他新技術(shù)的移植應(yīng)用，使金屬熱處理工藝得到更大發(fā)展。夏立紅等采用低溫淬火后，有效地解決了45鋼處于危險(xiǎn)尺寸以致出現(xiàn)零件淬火裂紋的問題[4]。朱圓圓等利用ansys軟件對(duì)淬火過程溫度場的進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬的結(jié)果符合生產(chǎn)實(shí)際并且運(yùn)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[5]。王能為等通過形變球化退火熱處理達(dá)到了節(jié)能和提高生產(chǎn)效率的目的[6]。趙琳通過正火、淬火、中溫回火等熱處理工藝，改變了

25、45鋼的內(nèi)部組織，從而改變其性能，使45鋼短軸具有了優(yōu)良的綜合機(jī)械性能和良好的切削加工性能，不僅改善了表面耐磨性，而且工件中心部分也得到了較高韌性，滿足了使用要求[7]。夏浩杰等通過優(yōu)化T12鋼絲錐的熱處理工藝，合理選擇熱處理工藝參數(shù)，有效地減少或消除了其淬火裂紋的出現(xiàn)[8]。劉祥等利用ANSYS軟件對(duì)鑄鋼車輪鑄造過程進(jìn)行了瞬態(tài)熱分析模擬，從而可以預(yù)測縮孔、縮松、熱裂等缺陷出現(xiàn)的位置及可能性,為優(yōu)化鑄造工藝方案提供了科學(xué)依據(jù)[9]。趙永

26、忠等利用有限元分析軟件對(duì)中厚板軋后控冷過程進(jìn)行了有限元模擬, 得到了鋼板在水冷條</p><p>　　1.3 研究的主要內(nèi)容及研究手段</p><p>　　1.3.1 研究的內(nèi)容</p><p>　　1、制定T10鋼熱處理工藝。</p><p>　　2、模擬計(jì)算T10鋼熱處理水冷過程某些時(shí)刻溫度場的分布。</p><p

27、>　　3、模擬計(jì)算熱處理水冷過程某些位置溫度場變化隨時(shí)間的變化關(guān)系。</p><p>　　4、分析熱處理水冷過程溫度場分布對(duì)T10鋼組織和力學(xué)性能的影響。</p><p>　　1.3.2 研究的手段</p><p>　　本文采用ansys有限元軟件模擬T10鋼熱處理淬火溫度場，分析T10鋼熱處理水冷過程某些時(shí)刻溫度場的分布，和熱處理水冷過程某些特定位置溫度場

28、變化隨時(shí)間的變化關(guān)系，并分析了熱處理水冷過程溫度場分布對(duì)T10鋼組織和力學(xué)性能的影響。并且將淬冷過程中的相變潛熱、綜合換熱系數(shù)、定壓比熱容等隨溫度變化的因素進(jìn)行考慮。力求模擬結(jié)果更接近于生產(chǎn)實(shí)踐。</p><p>　　2 T10鋼熱處理工藝制定及ANSYS軟件</p><p>　　2.1 T10鋼材料簡介</p><p>　　從圖2.1可以看出：T10鋼，為過共

29、析鋼，在淬火加熱時(shí)不易過熱，仍保持細(xì)晶粒。韌性尚可，強(qiáng)度及耐磨性均較T7-T9高些，但熱硬性低，淬透性不高，淬火變形大。這種鋼應(yīng)用較廣，適用于制造切削條件較差、耐磨性要求較高且不受突然和劇烈沖擊振動(dòng)而需要一定的韌性及具有鋒利刃口的各種工具，如車刀、刨刀、鉆頭、絲錐、擴(kuò)孔刀具、螺絲板牙、銑刀手鋸鋸條、小尺 寸冷切邊模及沖孔模，低精度而形狀簡單的量具(如卡板等)，也可用作不受較大沖擊的耐磨零件。</p><p&

30、gt;　　圖2.1 鐵碳合金相圖</p><p>　　T10鋼是碳素工具鋼，其化學(xué)成份見表2.1,臨界轉(zhuǎn)變見表2.2。</p><p>　　表2.1 T10鋼的化學(xué)成分[12]</p><p>　　表2.2 T10鋼的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)[13]</p><p>　　T10的密度為7.81t/m3見表2.3，其熱導(dǎo)率見表2.4。</p>

31、;<p>　　表2.3 T10鋼的密度[14]</p><p>　　表2.4 T10鋼的熱導(dǎo)率[14]</p><p>　　2.2 淬火加熱溫度的選擇</p><p>　　T10鋼（過共析鋼），Acm 為800℃，AC1為730℃，其加熱溫度為AC1＋30～50℃，即770℃,780℃,790℃。若加熱溫度不足（低于AC1），則淬火組織中將出現(xiàn)鐵

32、素體而造成強(qiáng)度及硬度的降低。</p><p><b>　　2.3 淬火概述</b></p><p>　　2.3.1 淬火目的</p><p>　　鋼的淬火是以獲得馬氏體組織為目的的熱處理工藝。它是將工件加熱至奧氏體化或部分奧氏體化的溫度，然后大于臨界冷卻速度（vk）冷至Ms點(diǎn)以下，使鋼發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變[15]。</p><

33、p>　　淬火的目的一般有以下幾個(gè)方面：</p><p>　?。?）提高鋼的硬度和耐磨性</p><p>　　工具、軸承等工件一般采用高碳鋼來制造，并淬火得到馬氏體（部分下貝氏體），再配以低溫回火，從而提高工件的硬度和耐磨性。</p><p>　?。?）獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能</p><p>　　齒輪、軸類、結(jié)構(gòu)件等重要的機(jī)械零件，都要求

34、具有良好的綜合力學(xué)性能，即高強(qiáng)度和高韌度，一般用低、中碳鋼制造并淬火得到馬氏體，再進(jìn)行高溫回火。</p><p>　　（3）獲得某些特殊的物理和化學(xué)性能</p><p>　　例如不銹鋼、耐熱鋼、磁鋼等，都可以通過淬火從而獲得一定的物理或化學(xué)性能。</p><p>　　2.3.2 淬火必要條件</p><p>　　根據(jù)上述淬火的含義，實(shí)現(xiàn)淬火

35、過程的必要條件是加熱溫度必須高于臨界點(diǎn)以上（亞共析鋼Ac3，過共析鋼Ac1），從而獲得奧氏體組織，然后冷卻速度必須大于臨界冷卻速度，從而淬火得到的組織結(jié)構(gòu)是馬氏體或下貝氏體，后者是淬火本質(zhì)。因此，不能只是根據(jù)冷卻速度的快慢用來判別是否是淬火。</p><p>　　關(guān)于臨界冷卻速的概念在研究連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖（CCT圖）可知道，從淬火工藝角度來考慮，若允許得到貝氏體，則臨界淬火冷卻速度應(yīng)在連續(xù)轉(zhuǎn)變圖中能抑制珠光體（包括

36、先共析組織）轉(zhuǎn)變的最低冷卻速度。如果以得到全部馬氏體作為淬火定義，則臨界冷卻速度應(yīng)該為可以抑制所有非馬氏體轉(zhuǎn)變的最小冷卻速度。一般沒有特殊說明的，所謂臨界冷卻速度，均指得到馬氏體組織的最低冷卻速度。</p><p>　　顯然，工件實(shí)際淬火效果要取決于工件在淬火冷卻時(shí)各部分的冷卻速度。只有那些冷卻速度大于臨界冷卻速度的部位，才能達(dá)到淬火的目的[16]。</p><p>　　2.3.3 淬火

37、介質(zhì)</p><p>　　淬火介質(zhì)，即為實(shí)現(xiàn)淬火目的用的冷卻介質(zhì)。</p><p>　　按聚集狀態(tài)不同，淬火介質(zhì)可分為固態(tài)、液態(tài)、和氣態(tài)三種。最常用的淬火介質(zhì)是液態(tài)介質(zhì)。</p><p>　　常用淬火介質(zhì)[16]及其冷卻特性如下：</p><p><b>　　(1) 水</b></p><p>

38、　　水是最常用的淬火介質(zhì)，不僅來源廣，而且具有良好的物理和化學(xué)性能。水是汽化熱在0℃為2500KJ/kg，100℃為 2257KJ/kg，傳導(dǎo)系數(shù)在20℃時(shí)為2.2KJ/（m·h·℃）。</p><p>　　水作為淬火介質(zhì)主要的缺點(diǎn)是：①冷卻能力對(duì)于水溫的變化是很敏感的，水溫升高，冷卻能力便會(huì)快速下降，并使對(duì)應(yīng)最大冷卻速度的溫度從而轉(zhuǎn)移向低溫，故而使用溫度一般為20~40℃，最高不允許超過60

39、℃；②在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷速太大，易使工件嚴(yán)重變形甚至開裂，從而報(bào)廢。</p><p>　　(2) 鹽水與堿水</p><p>　　為了提高水的冷卻能力，從而往往在水中添加一定量（一般為5~10%）的鹽或堿，目前比較普遍采用的是食鹽水溶液，因?yàn)辂}水的冷卻特性比純水高，其高溫（650~550℃）區(qū)間的冷卻能力大約為水的10倍，故使鋼件淬火后的硬度較高且均勻；同時(shí)鹽水的冷卻能力受到溫度的影響也

40、較純水小，因此目前生產(chǎn)中鹽水已經(jīng)完全取代了純水進(jìn)而廣泛用于碳鋼的淬火。鹽水的使用溫度一般為60℃以下。鹽水的缺點(diǎn)是在低溫（200~300℃）區(qū)間冷卻速度仍然很大。堿水作為淬火介質(zhì)，常用的是5~15%苛性納 （NaOH）水溶液。它在高溫區(qū)間的冷卻能力比鹽水還要大，而在低溫區(qū)間的冷卻能力則與鹽水相近。此外它還能與已氧化的工件表面作用從而析出氫氣，使氧化皮易于脫落。淬火后工件呈銀灰色，表面比較潔凈，一般不需要清理，故又稱其為光亮淬火。但堿水的

41、應(yīng)用不如鹽水廣泛，其原因是苛性納對(duì)工件及設(shè)備的腐蝕比較嚴(yán)重，淬火時(shí)有制激性氣體產(chǎn)生，對(duì)皮膚有腐蝕性，以及易于老化變質(zhì)等。</p><p><b>　　(3) 油</b></p><p>　　淬火用油有植物油與礦物油兩大類。植物油有豆油、芝麻油等，雖然有比較好的冷卻持性，但因?yàn)槿菀桌匣r(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，已經(jīng)被礦物油所取代。用油作為淬火介質(zhì)的主要優(yōu)點(diǎn)是：油的沸點(diǎn)一般比水

42、高150~300℃，其對(duì)流階段的開始溫度也比水高很多，由于一般在鋼的Ms從點(diǎn)附近就已進(jìn)入對(duì)流階段。故低溫區(qū)間的冷卻速度遠(yuǎn)小于水，將有利于減少工件的變形與開裂傾向。油的主要缺點(diǎn)是：高溫區(qū)間的冷卻能力很小，僅為水的1/5~1/6，只能用于合金鋼或小尺寸碳鋼工件的淬火。此外，油經(jīng)長期使用還會(huì)發(fā)生老化，故需定期過濾或更換新油等。提高油溫可以降低粘度，增加其流動(dòng)性，從而提高其冷卻能力。油溫一般應(yīng)控制在60~80℃，最高不超過100~120℃（即油

43、的工作溫度應(yīng)保持在閃點(diǎn)以下100℃左右），以免著火。</p><p>　　本課題采用淬火冷卻介質(zhì)為 20℃的靜態(tài)水。</p><p>　　2.3.4 淬火工藝曲線</p><p>　　T10鋼淬火工藝曲線如圖2.2</p><p>　　圖2.2 T10鋼淬火工藝曲線圖 </p><p>　　在淬火冷卻的過程中，因?yàn)?/p>

44、零件內(nèi)部溫度分布的不均勻，組織轉(zhuǎn)變過程的不均勻從而形成熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，這些應(yīng)力的存在將直接影響零件的組織性能和使用壽命。如果熱處理不當(dāng)，將會(huì)造成零件的組織性能達(dá)不到預(yù)定的要求，甚至?xí)a(chǎn)生過量變形或開裂從而報(bào)廢。生產(chǎn)實(shí)踐表明，淬火冷卻過程是熱處理工藝中返修率最高和廢品率最高的工序，是熱處理質(zhì)量控制中最難以掌握的環(huán)節(jié)。要評(píng)估淬火零件的組織轉(zhuǎn)變情況及淬火殘余應(yīng)力，必須確定淬火冷卻過程中零件材料內(nèi)部的溫度隨時(shí)間變化的分布規(guī)律。因而淬火過程溫度

45、場的確定是優(yōu)化熱處理工藝、提高零件內(nèi)在質(zhì)量的主要依據(jù)[17]。</p><p>　　淬火過程溫度場分布的傳統(tǒng)分析方法是實(shí)驗(yàn)測定和經(jīng)驗(yàn)判斷。由于淬火是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，并且受到多種因素影響，而使得各種因素之間又相互作用、又相互制約。因此傳統(tǒng)的方法不能完整、全面、準(zhǔn)確地分析和預(yù)測淬火過程的溫度場[18]。</p><p>　　計(jì)算機(jī)模擬（仿真）可以將熱處理過程中的物理現(xiàn)象和零件的幾何造型有效

46、的結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的、逼真的模擬，因此使用這一計(jì)算機(jī)技術(shù)分析和研究淬火過程已受到了高度的重視。對(duì)于外形規(guī)則、對(duì)稱的零件如軸、板等，現(xiàn)在已經(jīng)有多種方法計(jì)算其溫度場[19]。但對(duì)于外形過于復(fù)雜的零件，若要從編制程序、調(diào)試、改進(jìn)到應(yīng)用過程完全靠幾個(gè)技術(shù)人員手工完成，則由于問題過于復(fù)雜，不僅要消耗大量的人力和時(shí)間，而且很難保證程序中出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤，使之留下隱患。而ANSYS軟件不僅解決了這些問題，而且可以更加準(zhǔn)確的描述零件的幾何形狀和定解條件

47、，特別是它還可以處理一些非線性初邊值問題，可以很容易獲得鋼件淬火過程動(dòng)態(tài)圖、溫降歷程、溫度分布，因而特別適合復(fù)雜零件淬火過程溫度場的動(dòng)態(tài)模擬[20]。</p><p>　　本文則通過綜合考慮材料的熱物性參數(shù)及界面換熱系數(shù)隨溫度變化對(duì)溫度場的影響，對(duì)T10鋼淬火冷卻過程的二維溫度場變化進(jìn)行了模擬計(jì)算，使計(jì)算結(jié)果更加逼近二維零件真實(shí)淬火的過程。</p><p>　　2.4 ANSYS軟件&l

48、t;/p><p>　　2.4.1 ANSYS軟件概述</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，很多有限元分析軟件得到了普及，其中最普遍的ANSYS軟件因?yàn)闇?zhǔn)確性較高，實(shí)用性較強(qiáng)，得到了很多方面的使用。ANSYS主操作窗口和隱藏的信息輸出窗口如圖2.3和圖2.4所示。</p><p>　　圖2.3 ANSYS主操作窗口</p><p>　

49、　圖2.4 ANSYS隱藏的信息輸出窗口</p><p>　　ANSYS軟件包括三大主要模塊：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊[21]如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5 ANSYS包括三大主要模塊</p><p>　　下面對(duì)ANSYS軟件的三大主要模塊功能作簡要的介紹[16]。</p><p><b>　　前處

50、理模塊</b></p><p>　　ANSYS軟件的前處理模塊主要擁有三種功能：參數(shù)定義、實(shí)體建模和網(wǎng)格絡(luò)劃分。</p><p><b>　　參數(shù)定義</b></p><p>　　ANSYS程序在進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模的過程中，首先要對(duì)所有被建模型的材料進(jìn)行參數(shù)定義，包括定義所使用的單位制、單元類型、單元的實(shí)常數(shù)、材料的參數(shù)以及使用的材料庫文

51、件等。</p><p>　　在單位制的制定中，ANSYS并沒有為分析指定固定的系統(tǒng)單位，除了磁場分析之外，可以使用任一種單位制，只要能保證輸入的所有數(shù)據(jù)都是使用同一種單位制的單位即可。</p><p>　　結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分的必要前提就是單元類型的定義，ANSYS程序進(jìn)行實(shí)際的網(wǎng)格劃分就是根據(jù)單元類型所定義的。而單元實(shí)常數(shù)的確定也依賴于單元類型的特征。</p><p>

52、;　　材料特性是針對(duì)每一種材料的性質(zhì)參數(shù)，比如在對(duì)材料進(jìn)行熱分析的過程中，首先要知道這種材料的熱導(dǎo)率和比熱容。在一個(gè)分析過程中，可能會(huì)有許多個(gè)材料特性組，每一組材料的特性都有一個(gè)材料參考號(hào)，ANSYS軟件則會(huì)通過獨(dú)特的參考號(hào)來識(shí)別每一個(gè)材料特性組。</p><p>　　對(duì)于每一個(gè)有限元分析，盡管可以分別定義材料的參數(shù)，但ANSYS軟件則允許用戶將所有材料特性參數(shù)設(shè)置存儲(chǔ)進(jìn)一個(gè)檔案材料庫，然后在多個(gè)分析中取出該設(shè)置

53、并重復(fù)使用，這樣就快速提高了工作效率。</p><p><b>　　實(shí)體建模</b></p><p>　　在實(shí)體建模過程中，ANSYS程序提供了兩種方法：ANSYS環(huán)境中直接實(shí)體建模和輸入CAD中創(chuàng)建的幾何模型。</p><p>　　對(duì)于一個(gè)有限元模型，ANSYS軟件中的圖元由低到高的順序分別是：點(diǎn)、線、面、體、節(jié)點(diǎn)和單元。ANSYS軟件提供了

54、很多高級(jí)圖元的建立，如球體、圓柱等。當(dāng)要直接構(gòu)建高級(jí)圖元時(shí)，程序就會(huì)自動(dòng)定義相關(guān)聯(lián)低級(jí)圖元。另外，也可以先定義點(diǎn)、線、面，然后再由所定義的圖元生成體，無論采用哪種方式進(jìn)行建模，都需要用布爾操作來組合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，以構(gòu)建獲得想要得到的幾何模型。</p><p><b>　　網(wǎng)格劃分</b></p><p>　　ANSYS系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分功能十分強(qiáng)大，使用起來很方便。從使用選擇

55、的角度來講，ANSYS程序的網(wǎng)格劃分可以分為系統(tǒng)職能劃分和人工選擇劃分兩種。從網(wǎng)格劃分的功能來講，則包括四種劃分方式：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸劃分就是將一個(gè)二維網(wǎng)格單元延伸成為一個(gè)三維網(wǎng)格單元。映像劃分就是將一個(gè)幾何模型分解成為幾個(gè)部分，然后選擇每個(gè)合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，并加以劃分生成映像網(wǎng)格，ANSYS軟件提供了六面體、四面體、四邊形和三角形的映像網(wǎng)格劃分。自由劃分就是由ANSYS軟件的網(wǎng)格自由劃分器來實(shí)現(xiàn)的

56、，通過這種劃分就可以避免不相同的組件在裝配過程中網(wǎng)格不匹配所帶來的一些問題。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型后，用戶指示程序自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格，分析并估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格的大小，再次分析計(jì)算并估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直到離散誤差低于用戶所定義的值或者是達(dá)到用戶所求解的次數(shù)。</p><p>　　求解模塊（SOLUTION）</p><p>　　求解模塊是程序用來完

57、成對(duì)已經(jīng)生成的模型進(jìn)行分析和求解。在此階段，用戶可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)。</p><p>　　定義分析類型和分析選項(xiàng)</p><p>　　用戶可以根據(jù)所施加的載荷條件和所需要計(jì)算的響應(yīng)來選擇分析的類型。例如，要溫度場分析，就必須選擇熱分析。在ANSYS程序中，可以進(jìn)行下列類型的分析：靜態(tài)、瞬態(tài)、模態(tài)和子機(jī)構(gòu)等。另外，有一點(diǎn)要說明的是，并不是所有的分析類型對(duì)所有的要

58、求都有效。例如，模態(tài)分析對(duì)熱模型就根本無效。</p><p>　　分析選項(xiàng)允許用戶自定義分析類型。典型的分析選項(xiàng)包括Newton—Raphson的選擇、求解器的選擇等等。</p><p><b>　　載荷</b></p><p>　　一般所謂的載荷應(yīng)該包括邊界條件（約束、支承或邊界場的參數(shù)）和其他外部或內(nèi)部的作用載荷。</p>&

59、lt;p><b>　　指定載荷步</b></p><p>　　載荷步選項(xiàng)就是用于更改載荷步的選項(xiàng)，如子步、載荷步的結(jié)束時(shí)間和輸出控制。在ANSYS分析過程中，根據(jù)所作的分析類型，載荷步可有可無。</p><p>　　后處理模塊（POST1和POST26）</p><p>　　當(dāng)完成計(jì)算后，可以通過后處理器查看計(jì)算結(jié)果。ANSYS軟件程序的

60、后處理模塊包括兩個(gè)部分：通用后處理模塊（POSTI）和時(shí)間歷程后處理模塊（POST26）。通過ANSYS程序的菜單操作，可以很方便地獲得求解的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果的輸出形式有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。</p><p>　　通用后處理模塊（POST1）</p><p>　　通用后處理器可以用于查看整個(gè)模型或選定的部分模型在某一子步的結(jié)果。可以獲得等值線顯示、變形形狀以及檢查和解釋分析結(jié)果和列表。通用

61、后處理器也提供了很多其他的功能，包括誤差估計(jì)、載荷工況組合、結(jié)果數(shù)據(jù)的計(jì)算和路徑操作等。</p><p>　　時(shí)間歷程后處理器（POST26）</p><p>　　時(shí)間歷程后處理器為時(shí)間歷程后處理模塊，可用于查看模型的特定點(diǎn)在所有時(shí)間步內(nèi)的結(jié)果?？色@得結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間的關(guān)系圖形曲線以及列表。如繪制位移一時(shí)間列表件；應(yīng)力-應(yīng)變曲線等。另外，POST26還具有其他的功能，如可以進(jìn)行曲線的代數(shù)運(yùn)算

62、，變量之間可以進(jìn)行加、減、乘、除等運(yùn)算以產(chǎn)生新的曲線；也可以取絕對(duì)值、平方根、對(duì)數(shù)、指數(shù)、以及求最大最小值等；并且可以求出曲線的微積分運(yùn)算；還能夠從時(shí)間歷程結(jié)果中生成譜響應(yīng)。</p><p>　　2.4.2 ANSYS有限元分析流程</p><p>　　應(yīng)用ANSYS分析工程問題的過程如流程如圖2.6所示[16]：</p><p>　　圖2.6 ANSYS工程分

63、析流程圖</p><p>　　3 ANSYS有限元分析</p><p>　　3.1 淬火過程熱傳導(dǎo)方程</p><p>　　對(duì)于一切不包含流場項(xiàng)的傳熱現(xiàn)象都能用傳熱通用方程和反映傳熱體與環(huán)境交互關(guān)系的邊界條件描述。</p><p>　　對(duì)于三維圓柱坐標(biāo)系，坐標(biāo)變量用 表示，熱傳導(dǎo)方程如式所示[22]：</p><p&g

64、t;　　式中 ρ：材料的密度</p><p><b>　　cp：等壓比熱容</b></p><p><b>　　λ：熱傳導(dǎo)系數(shù)</b></p><p>　　q：材料的內(nèi)熱源強(qiáng)度，此處代表相變潛熱</p><p><b>　　T：溫度</b></p><p&g

65、t;<b>　　t：時(shí)間</b></p><p>　　為簡化起見，這里假設(shè)ρ、cp、λ各向同性，且僅是溫度的函數(shù)。</p><p>　　3.2 ANSYS熱分析</p><p>　　利用ANSYS軟件的熱分析模塊對(duì)鋼件淬火過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析，并通過建模、劃分網(wǎng)格、加載及求解,得到了鋼件在淬火過程中不同時(shí)刻的溫度場分布以及在某一時(shí)刻鋼件不同關(guān)

66、鍵點(diǎn)的溫度變化趨勢。</p><p>　　熱分析中基本符號(hào)及國際單位見表3.1所示。</p><p>　　表3.1 熱分析基礎(chǔ)單位</p><p>　　3.3 基于ANSYA的淬火溫度場分析</p><p>　　某圓柱體零件材質(zhì)為T10鋼，零件尺寸為Φ40mm×20mm，如圖3.1所示。將其加熱到800℃， 在25℃ （室溫）水

67、中淬火, 用ANSYS 軟件模擬：</p><p>　　（1）T10鋼淬火4s、16s、30s的溫度場分布；</p><p>　?。?）T10鋼圓柱體中心點(diǎn)、上底面圓心點(diǎn)、上底面圓周任一點(diǎn)溫度場變化隨時(shí)間變化的關(guān)系。</p><p>　　淬火過程屬于瞬態(tài)熱分析問題。圖為鋼件的實(shí)體圖，A、B、C點(diǎn)分別為圓柱體中心點(diǎn)、上底面圓心點(diǎn)、上底面圓周一點(diǎn)。</p>

68、<p>　　圖3.1 試樣的幾何模型</p><p>　　3.4 定義單元類型</p><p>　　每一個(gè)單元類型都具有惟一的編號(hào)和一個(gè)標(biāo)識(shí)單元類別的前綴，如PLANE2、BEAM4等。單元類型決定了單元的自由度以及單元是在二維空間還是三維空間內(nèi)[16]。根據(jù)要求，本課題屬于瞬態(tài)熱分析問題，選擇單元類型為Quad 4node 55。</p><p>

69、　　3.5 前處理階段</p><p>　　3.5.1 建立模型</p><p>　　因?yàn)榻＿^程將耗費(fèi)工作人員大量的精力和時(shí)間,因此,按照建模通用原則,會(huì)提高模型建立的有效性及工作效率。通用的建模原則如下:</p><p>　　(1)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的利用;</p><p>　　(2)刪除細(xì)節(jié),將構(gòu)件或零件上的一些細(xì)節(jié)忽略而考慮整體特征;&l

70、t;/p><p>　　(3)減維,選取合適的單元類型[23]。 </p><p>　　本課題所用鋼件屬于軸對(duì)稱圖形，根據(jù)對(duì)稱性原理，計(jì)算模型只取1/2截面。利用模型擴(kuò)展功能，可以得到材料的整體模型。如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 軸對(duì)稱圖</p><p>　　3.5.2 網(wǎng)格劃分</p><p>　　

71、ANSYS中劃分網(wǎng)格的方式主要有兩種，分別為自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分[16]。自由劃分的網(wǎng)格對(duì)單元的形狀沒有任何的限制，并且沒有特定的準(zhǔn)則。用這種方式劃分的網(wǎng)格排列不規(guī)則，可以應(yīng)用于所有具有不規(guī)則幾何形狀的模型或是需要網(wǎng)格過渡的區(qū)域。但是這種劃分相對(duì)單的元數(shù)目較多，分析時(shí)間較長，精確度較低。映射網(wǎng)格劃分對(duì)包含的單元形狀有所限制，通常映射面網(wǎng)格只能包含四邊形或三角形單元，映射體網(wǎng)格也只能包含六面體單元。用映射網(wǎng)格劃分方式得到的網(wǎng)格具有規(guī)

72、則的幾何形狀，而且它對(duì)載荷的施加和收斂的控制相當(dāng)有用。因而,在實(shí)際應(yīng)用中一般優(yōu)先選用映射網(wǎng)格劃分方式，當(dāng)不能用映射網(wǎng)格劃分時(shí)再考慮選用自由網(wǎng)格劃分作為補(bǔ)充。在有限元分析中，網(wǎng)格劃分的合適與否與計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算的效率息息相關(guān)。網(wǎng)格劃分得越細(xì)，計(jì)算精度就越高，所花費(fèi)的計(jì)算時(shí)間就越長，反之，所花費(fèi)的時(shí)間就越短。而且，網(wǎng)格的劃分細(xì)到一定的程度，計(jì)算精度的變化會(huì)較小甚至不發(fā)生變化。</p><p>　　本文采用映射網(wǎng)格

73、劃分方法，單元的大小設(shè)置為默認(rèn)設(shè)置，劃分網(wǎng)格后的有限元模型（如圖3.3所示）：</p><p>　　圖3.3 網(wǎng)格劃分圖</p><p>　　3.6 溫度場分析</p><p>　　本課題施加的是對(duì)流換熱載荷，設(shè)置的熱分析類型是瞬態(tài)熱分析，淬火時(shí)間點(diǎn)分別設(shè)置為4s、16s、30s， 設(shè)置為 。由設(shè)定的求解條件可以得到淬火過程 30s內(nèi)零件各部分的溫度場分布, 4

74、s、16s、30s時(shí)零件的溫度場分布分別如圖3.4、圖3.5和圖3.6所示。</p><p>　　圖3.4 水淬4s時(shí)的溫度分布圖（單位：℃）</p><p>　　圖3.5 水淬16s時(shí)的溫度分布圖（單位：℃）</p><p>　　圖3.6 水淬30s時(shí)的溫度分布圖（單位：℃）</p><p>　　冷卻過程中，不同時(shí)刻溫度場分布如圖3.

75、4所示。在水冷4s時(shí)，零件邊緣最低溫度為705℃ ，靠近零件中間區(qū)域最高溫度為782℃ ；如圖3.5所示在水冷16s時(shí)，零件邊緣最低溫度為582℃ ，靠近零件中間區(qū)域最高溫度為667℃ ；如圖3.6所示在水冷30s時(shí)，零件邊緣最低溫度為473℃ ，靠近零件中間區(qū)域最高溫度為543℃ ；</p><p>　　3.7 水冷特殊位置隨時(shí)間變化</p><p>　　執(zhí)行 ，讀取加載并求解后工件在

76、某些特定位置的冷卻曲線。下面圖3.7、圖3.8和圖3.9分別為工件的A（圓柱體中心點(diǎn)）、B（上底面圓心點(diǎn)）、C（上底面圓周一點(diǎn)）三點(diǎn)隨時(shí)間變化的曲線圖：</p><p>　　圖3.7 A點(diǎn)變化的曲線圖</p><p>　　圖3.8 B點(diǎn)變化的曲線圖</p><p>　　圖3.9 C點(diǎn)變化的曲線圖</p><p>　　如圖3.10所示可以

77、看出，在水中隨著時(shí)間的延長，零件溫度也迅速降低，發(fā)現(xiàn)A、B、C三點(diǎn)隨時(shí)間變化的差別幅度較小，并在淬火的后期300s之后冷卻速率趨于平緩。</p><p>　　圖3.10 水淬時(shí)A、B、C三點(diǎn)的冷卻曲線</p><p>　　3.8 模擬結(jié)果分析</p><p>　　選取4s 、16s、30s時(shí)，鋼件的溫度場分布如圖3.4、圖3.5和圖3.6所示，在淬火4 s時(shí)表面

78、溫度下降，零件心部仍然保持一定的高溫。僅用30s，鋼件表面就從800℃高溫降低到了475℃左右，心部降低到540℃左右。在任一時(shí)刻，零件心部的溫度在整個(gè)鋼件中都是最高的，并得到鋼件的淬硬性增強(qiáng)，這完全符合實(shí)際情況。隨著淬火時(shí)間的延長，鋼件表面的溫度持續(xù)下降，但是溫度降低速率在下降，并且內(nèi)部溫度相應(yīng)降低，降低速率比表面稍高。圖3.7、圖3.8和圖3.9是在水淬時(shí)鋼件上A、B、C三點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖示知，三點(diǎn)的溫度均隨著淬火時(shí)間的

79、延長從而降低，只是降溫的速度不同，其中A點(diǎn)降溫最快，B點(diǎn)次之，C點(diǎn)最慢。</p><p><b>　　4 結(jié)論和展望</b></p><p>　　4.1 課題研究得出結(jié)論</p><p>　　1、本文主要是對(duì)碳素工具鋼T10鋼在淬火過程進(jìn)行瞬態(tài)熱分析數(shù)值模擬研究。通過計(jì)算分析，得到每一瞬時(shí)和每一點(diǎn)的溫度場分析，從而能夠明顯的反映出淬火過程的

80、變化情況。</p><p>　　2、在考慮T10鋼的熱物性參數(shù)、淬火介質(zhì)換熱系數(shù)后，用ANSYS軟件模擬淬火溫度場是可以的。在用ANSYS軟件模擬淬火過程溫度場分析時(shí)，通過淬火鋼件表面網(wǎng)格劃分及函數(shù)加載等步驟是可以提高模擬計(jì)算精度。</p><p>　　3、在淬火冷卻剛開始時(shí)，鋼件表面的冷卻速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于心部，使鋼件產(chǎn)生較大的瞬時(shí)應(yīng)力，這是誘發(fā)應(yīng)力突變的主要原因。并隨著冷卻時(shí)間的延長，鋼件表

81、面與心部的溫差逐漸減小，溫度分布趨于平緩，其數(shù)值模擬的結(jié)果符合生產(chǎn)實(shí)際。</p><p>　　4、通過學(xué)習(xí)ANASY14.0懂得了： </p><p>　　（1）四邊形優(yōu)先選用映射網(wǎng)格劃分的方式。 </p><p>　　（2）要根據(jù)所施加的載荷條件和所需要計(jì)算的響應(yīng)來選擇分析的類型。</p><p>　　（3）通過計(jì)算、分析該軟件模擬方法明顯

82、強(qiáng)于傳統(tǒng)的人工測量和經(jīng)驗(yàn)判斷，該方法與有限元法相比較，具有計(jì)算簡便等優(yōu)點(diǎn)；與經(jīng)驗(yàn)公式法相比，具有更加精確的模擬結(jié)果。</p><p><b>　　4.2 展望</b></p><p>　　本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)T10鋼淬火過程溫度場分析進(jìn)行了初步的研究，雖然取得了一定的成果，但還有許多工作有待深入研究，主要包括以下幾個(gè)方面：</p><p&g

83、t;　?。?）T10鋼的熱物性參數(shù)需要進(jìn)一步改進(jìn)。隨著熱物性參數(shù)測定，熱物性參數(shù)的數(shù)據(jù)會(huì)越來越充分，不需要使用粗略的數(shù)據(jù)。</p><p>　?。?）網(wǎng)格需要盡量細(xì)致劃分。隨著計(jì)算機(jī)性能的發(fā)展和使用計(jì)算機(jī)淬火越來越頻繁，這是就必須盡可能的細(xì)分。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本文字開題至截稿，從資料的收集到確

84、定研究方向再到完成模擬撰寫論文、論文定稿一直在太原工業(yè)學(xué)院完成，期間太原工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系婁菊紅老師給予了很大的指導(dǎo)與幫助，使得本文順利完成，婁老師在課題研究方向上的指導(dǎo)與課題研究過程中遇到的問題所提出的的建議及解決方案為本文的成功撰寫奠定了基礎(chǔ)，感謝導(dǎo)師對(duì)我學(xué)術(shù)上的指導(dǎo)和處事上的幫助。導(dǎo)師他治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、待人真誠，在ANSYS軟件學(xué)習(xí)階段提供了不少的學(xué)習(xí)資料并給予指導(dǎo)學(xué)習(xí)方法，使自己能夠在短短的兩個(gè)月時(shí)間內(nèi)掌握了ANSYS的熱分析功能，此

85、特別致謝。</p><p>　　感謝本文所引用的所有文獻(xiàn)的著者、編者，他們的研究成果給予了我很大的幫助。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 李茂山, 趙寶榮, 吳光英, 張克儉. 我國熱處理的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 兵器材料</p><p>　　科學(xué)與工程.1999，22 (02)

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