【正文】 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）帶輪淬火過程的有限元分析摘 要【為分析帶輪淬火過程中的各場量變化情況，利用ANSYS的熱分析功能對(duì)帶輪進(jìn)行瞬態(tài)熱傳遞分析。以采用實(shí)體單元離散帶輪模型及設(shè)定時(shí)間歷程變量的方法來研究鍛造帶輪在終鍛后進(jìn)行淬火的過程，分析其表面到中心各個(gè)部分的溫度變化?！筷P(guān)鍵詞：淬火，數(shù)值模擬，有限元法，熱分析Belt wheel quenching process based on finite element analysisABSTRACT【Analysis of quenching process for belt wheel in the field variation, The use of ANSYS thermal analysis function of belt wheel for transient heat transfer analysis. By using the solid element discrete belt wheel model and setting the time history variable approach to the study of forging belt wheel in the end after forging quenching process. Analysis of the surface to the center of the various parts of the temperature change.】KEY WORDS: Quench，Numerical simulation，The finite element method，Thermal analysis 4目　錄前　言 1第1章 問題描述 3 設(shè)置帶輪初始條件 3第2章 問題的分析 5 瞬態(tài)熱分析 5 分析模型的選擇 5 6第3章 帶輪瞬態(tài)熱分析的求解過程 7 建立工作文件名和工作標(biāo)題 7 定義單元類型 7 定義材料性能參數(shù) 8 創(chuàng)建幾何模型、劃分網(wǎng)絡(luò) 9 加載求解 20 查看求解結(jié)果 23第四章 命令流文件 36第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 42謝 辭 43參考文獻(xiàn) 44附　錄 46外文資料翻譯 47前　言【有限元法是以電子計(jì)算機(jī)為手段的“電算”方法，它以大型問題為對(duì)象，未知的個(gè)數(shù)可以成千上萬，因而為解決復(fù)雜的力學(xué)問題提供了一個(gè)有效的工具并被廣泛應(yīng)用于分析其他各種問題，尤其是熱分析中的場問題，甚至成了該領(lǐng)域主要的分析方法。應(yīng)用計(jì)算機(jī)這一先進(jìn)手段，以有限元理論為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模擬，可以提高產(chǎn)品加工質(zhì)量，省時(shí)省力，降低成本。淬火是為了獲得不平衡的組織，以提高材料的強(qiáng)度和硬度。由于淬火過程本身的復(fù)雜性，特別是淬火引起的固態(tài)相變的多樣性與復(fù)雜性以及傳熱和彈塑性變形之間的交互作用，分析工作存在著相當(dāng)?shù)碾y度；另外，在實(shí)時(shí)檢測各物理量的變化方面，也存在一定的難度。組織狀態(tài)和應(yīng)力分布難以在熱處理過程中進(jìn)行在線測量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，使材料熱加工過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。計(jì)算機(jī)模擬可以在虛擬的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行材料的熱加工過程的各種虛擬實(shí)驗(yàn)。本文利用有限元法模擬帶輪在機(jī)械加工后進(jìn)行的熱處理（淬火）過程，并分析其內(nèi)部溫度的變化。有限元法進(jìn)行熱分析的基本原理是先將所處理的對(duì)象劃分成有限個(gè)單元（包含若干節(jié)點(diǎn)），然后根據(jù)能量守恒定律原理求解一定邊界條件和初始條件下每一節(jié)點(diǎn)處的熱平衡方程，有次計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)溫度，繼而進(jìn)一步求解出其他相關(guān)量。有限元法在熱分析領(lǐng)域遵循熱力學(xué)第一定律：QW=△U+△KE+△PE式中： Q——熱量；W——所做的功；△U——系統(tǒng)內(nèi)能；△KE——系統(tǒng)動(dòng)能；△PE——系統(tǒng)勢能；淬火過程是一個(gè)溫度、相變、應(yīng)力、應(yīng)變相互影響的高度非線性過程。對(duì)于淬火的零件，雖然初始溫度均勻，但淬火開始后，零件各部分溫度分布差異極大，因此屬于瞬態(tài)傳熱過程。在該過程中，熱傳導(dǎo)系數(shù)、換熱系數(shù)、定壓比熱等熱物性參數(shù)及各種生成相的含量隨時(shí)間的變化而改變。有能量守恒原理可得：[C] {T} + [K] {T＇} ={Q}式中 [K]——傳導(dǎo)矩陣；[C]——比熱矩陣；{T}——節(jié)點(diǎn)溫度向量；{T＇}——溫度對(duì)時(shí)間的倒數(shù)；{Q}——節(jié)點(diǎn)熱流向量。】第1章 問題描述 設(shè)置帶輪初始條件淬火就是將金屬工件加熱到某一適當(dāng)溫度并保持一段時(shí)間，隨即浸入淬冷介質(zhì)中快速冷卻的金屬熱處理工藝。這里我們用有限元的方法分析帶輪淬火過程過個(gè)部分的溫度變化情況。在分析之前首先對(duì)帶輪初始條件設(shè)置一下：（1） 設(shè)帶輪的初始溫度為500攝氏度，將其突然放進(jìn)溫度為0℃的水中，使其完成淬火過程。水的對(duì)流系數(shù)為110W/(m2.℃)。（2） 帶輪的的零件結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示（圖中長度單位為mm），它的三維模型如圖12所示。圖11 帶輪零件圖圖12 帶輪結(jié)構(gòu)示意圖（3）帶輪材料的熱性能參數(shù)如表11所示。表11 帶輪的材料熱性能參數(shù)密度kg/m3導(dǎo)熱系數(shù)W/(m*℃)比熱J/(kg. ℃)240070328第2章 問題的分析 瞬態(tài)熱分析瞬態(tài)熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)的隨時(shí)間變化的溫度及其它熱參數(shù)。在工程上一般用瞬態(tài)熱分析計(jì)算溫度場，并將之作為熱載荷進(jìn)行應(yīng)力分析。瞬態(tài)熱分析的基本步驟與穩(wěn)態(tài)熱分析類似，瞬態(tài)熱分析中使用的單元與穩(wěn)態(tài)熱分析相同，主要的區(qū)別是瞬態(tài)分析中的載荷是隨時(shí)間變化的。為了表達(dá)隨時(shí)間變化的載荷，首先必須將載荷－時(shí)間曲線分為載荷步。載荷－時(shí)間曲線中的每一個(gè)拐點(diǎn)為一個(gè)載荷步。對(duì)于每一個(gè)載荷步，必須定義載荷值及時(shí)間值，同時(shí)必須選擇載荷步為漸變或階躍。 分析模型的選擇 建立有限元模型時(shí)需要考慮的因素很多，不同的問題所需要考慮的側(cè)重點(diǎn)也不一樣。但不論什么問題，建模時(shí)都應(yīng)該考慮的兩調(diào)基本原則：一是保證計(jì)算結(jié)果的精度，二是要適當(dāng)控制模型規(guī)模。而精度和規(guī)模是一對(duì)相互矛盾的因素。往往精度非常高時(shí)，模型的規(guī)模又太大，在建模和分網(wǎng)等過程帶來很多麻煩，同時(shí)求解也很困難；想要縮小模型的規(guī)模又達(dá)不到需要的計(jì)算精度。所以建模時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的分析對(duì)象、分析要求和分析條件權(quán)衡考慮。對(duì)帶輪分析模型的建立，主要從以下三個(gè)方面分析：（1）帶輪的結(jié)構(gòu)由上面給出帶輪的結(jié)構(gòu)示意圖和三維結(jié)構(gòu)圖可以知道該帶輪的幾何形狀是嚴(yán)格軸對(duì)稱的，是相對(duì)對(duì)稱軸的旋轉(zhuǎn)體。（2） 邊界條件 帶輪在淬火過程中的邊界條件是對(duì)稱，帶輪是整體的受熱，對(duì)于以軸線的旋轉(zhuǎn)體，溫度在各個(gè)旋轉(zhuǎn)角度的變化情況是相同的，而且在突然放進(jìn)0℃的水中時(shí)，帶輪的各個(gè)角度的部位受溫度影響也是一樣的。（3）材料帶輪的材料是各向同性的，這種條件自然滿足?；谝陨系膸c(diǎn)分析，我們?cè)谧鲇邢拊治鰰r(shí)沒有必要對(duì)整個(gè)帶輪進(jìn)行分析，只需要對(duì)帶輪的一部分做分析，就能得到滿意的答案。因此，我們選用了整個(gè)帶輪的1/16部分（176。的角度）作為帶輪的分析幾何模型，如圖21所示。圖21 帶輪熱分析的幾何模型帶輪的淬火過程是一個(gè)熱瞬態(tài)分析過程，因此我們?yōu)榱烁昧朔治龀稣麄€(gè)淬火過程中帶輪整個(gè)的溫度變化以及帶輪各個(gè)部位的溫度變化情況，我們需要求解以下兩個(gè)問題：（1） 在一分鐘和五分鐘后帶輪的溫度場分布情況（2） 求出零件圖上A、B、C、D、E各點(diǎn)溫度在整個(gè)淬火過程中隨時(shí)間的變化關(guān)系 6第3章 帶輪瞬態(tài)熱分析的求解過程 建立工作文件名和工作標(biāo)題（1） 選擇Utility Menu|File|Change Jobname 命令，出現(xiàn)Change Jobname 對(duì)話框。在[/FILNAM] Enter new jobname 文本框中輸入文件名EXERCISE6，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（2） 選擇Utility Menu|File|Change Title 命令，出現(xiàn)Change Title 對(duì)話框，選中Thermal 復(fù)選框，單擊OK 按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（3） 選擇Main Menu|Preferences 命令，出現(xiàn)Preferences for GUT Filtering 對(duì)話框，選中Thermal復(fù)選框，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。 定義單元類型單元類型是實(shí)體（solid），這里需要定義兩個(gè)實(shí)體的單元類型:一個(gè)是brick 8node 70和brick 20node 90，如圖31所示，具體操作如下：（4） 選擇Main Menu|Preprocessor|Element Type|Add/Edit/Delete 命令，出現(xiàn)Element Type 對(duì)話框，單擊Add 按鈕，出現(xiàn)Library of Element Types 對(duì)話框。（5） 在Library of Element Types 的兩個(gè)列表框中分別選擇Thermal Solid、Brick 8node 70選項(xiàng)，在Element type reference number文本框中輸入1.（6） 單擊Apply按鈕，在Library of Element Type的兩個(gè)列表框中分別選擇Thermal Solid、Brick 20node 90選項(xiàng)，在Element type reference number文本框中輸入2。單擊OK按鈕關(guān)閉Library of Element types對(duì)話框。（7） 單擊Element type對(duì)話框上的Close按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖31 單元類型的定義 定義材料性能參數(shù)我們進(jìn)行的是帶輪的熱瞬態(tài)分析，材料的定義只需要有與熱傳導(dǎo)有影響的就行了。這里主要的材料就是帶輪。前面表11給出了材料參數(shù)定義。分別設(shè)置好帶輪材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和密度，如圖32所示,具體操作如下：（8） 選擇Main Menu|Preprocessor|Material Props|Material Models命令，出現(xiàn)Define Material Model Behavior對(duì)話框。（9） 在Material Models Available列表框中依次雙擊Thermal、Conductivity、Isotropic選項(xiàng)，出現(xiàn)Conductivity for Material Number 1對(duì)話框，在文本框中輸入70，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（10） 雙擊Define Material Model Behavior對(duì)話框上的Specific Heat按鈕，出現(xiàn)Specific Heat Material Number 1 對(duì)話框，在文本框中輸入328，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（11） 雙擊Define Material Model Behavior對(duì)話框上的Density按鈕，出現(xiàn)Density for Material Number 1對(duì)話框，在文本框中輸入2400，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（12） 在Define Material Model Behavior對(duì)話框中選擇Material|Exit命令，關(guān)閉該對(duì)話框。圖32 材料的定義 創(chuàng)建幾何模型、劃分網(wǎng)絡(luò)（1） 選擇Main Menu|Perprocess|Modeling|Create|Areas|Rectangle|By|Dimensions命令，出現(xiàn)Cerate Rectangle by Dimensions對(duì)話框，參照?qǐng)D33對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。圖33 生成矩形面對(duì)話框（2） 單擊Apply按鈕，在X1,X2 Xcoordinates ,，在Y1,Y2 ,。（3） 單擊Apply按鈕，在X1,X2 ,，在Y1,Y2 ,，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（4） 選擇Main Menu|Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Overlap|Areas命令，出現(xiàn)Overlap Aress菜單，單擊Pick All按鈕。（5） 選擇Utility Menu|Plotctrls|Numbering命令，出現(xiàn)Plot Numbering Controls對(duì)話框，選擇LI