【正文】 定解問題，分析重軌及材料的熱物理性能參數(shù)，探索重軌淬火時(shí)導(dǎo)熱問題的求解方法。 2. 熱對(duì)流 熱對(duì)流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。 熱傳導(dǎo)問題的控制方程描述了重軌內(nèi)部發(fā)生導(dǎo)熱現(xiàn)象時(shí)各點(diǎn)溫度的變化規(guī)律，方程對(duì)于內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)都是普遍適用的。 對(duì)一般的導(dǎo)熱問題而言，單值性條件 【 11】 (定解條件 )包括幾何條件、物理?xiàng)l件、初始條件、邊界條件等四個(gè)方面的內(nèi)容。初始條件是指導(dǎo)熱過程開始時(shí)刻重軌內(nèi)的溫度場(chǎng)。此時(shí)一般認(rèn)為重軌的初始溫度場(chǎng)是完全均勻一致的，即有 00 TTt ?? () 初始溫度場(chǎng) 【 12】 也可以是不均勻的，但重軌各點(diǎn)溫度值是已知的。而對(duì)穩(wěn)念導(dǎo)熱來說，它是影響重軌內(nèi)溫度分布狀態(tài)的外部條件。q 為已知，規(guī)定熱流密度 39。當(dāng)為第一類邊界時(shí)，取 cTT ?? ， kH 為一極大值即可。例如在高壓氣體淬火時(shí)，淬火介質(zhì)是氣態(tài)的，或在高真空環(huán)境中，邊界上的輻射換熱往往成為主導(dǎo)因素，或至少與對(duì)流方式并重。 重軌淬火應(yīng)力場(chǎng)理論基礎(chǔ) 熱彈性和熱塑性問題 對(duì)重軌淬火時(shí)，由于溫度變化劇烈，不僅會(huì)引起彈性變形，還會(huì)一起塑性變形。一般處理彈塑性問題采取如下的一些假設(shè)： 1)塑性變形不引起體積改變，即體積不變定律： 0321 ??? ppp ??? （ ） 式 (2． 11)中， ppp 321 ??? 、 分別表示三個(gè)主變形方 向塑性應(yīng)變分量。Mises 屈服準(zhǔn)則為：當(dāng)?shù)刃?yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，材料開始屈服。從單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于大多數(shù)重軌材料，屈服后卸載或部分卸載，然后再加載，其屈服應(yīng)力就會(huì)增加，這就是應(yīng)變強(qiáng)化。具體表達(dá)式為： 變分方程： ? ?? ? ? ?hRK ?? （ ） 剛度矩陣： ? ? ? ? ? ?? ? dVBDBK eepeT? ?? （ ） 熱載荷向量： ? ? ? ? ? ? dVDBR eTepeTh }{?? ?? （ 2. 19） 彈塑性矩陣當(dāng)時(shí)的應(yīng)力水平有關(guān)，故 ()式為非線性方程，求解時(shí)需線性化處理。這種解法，每加載一次或迭代一次，剛度矩陣都要根據(jù)應(yīng)力水平重新計(jì)算一次，故稱這種方法為增量變剛度法。淬火的過程就是奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的過程，使珠光體在較低的溫度下轉(zhuǎn)變，而得2 10 到強(qiáng)韌性和細(xì)片狀珠光體 (即索氏體 )組織，不得出現(xiàn)馬氏體、貝氏體有害組織，因此在淬火應(yīng)力模擬計(jì)算中僅考慮索氏體 (細(xì)珠光體 )的相變。再將重軌的三維模型導(dǎo)入 ANSYS 軟件中。 圖 32 重軌的三維模型圖 確定重軌的各項(xiàng)材料參數(shù)及初始條件 50kg/m重軌密度為 7800kg /m3, 線膨脹系數(shù)?！?1) 478 487 505 533 579 650 772 760 623 K/(W ANSYS 仿真重軌溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的基本步驟 1. 設(shè)置環(huán)境（設(shè)置工作目錄，設(shè)置文件名，設(shè)置工作標(biāo)題，設(shè)定分析模塊） （ 1） 設(shè)置工作目錄。 2 12 （ 3） 設(shè)置工作標(biāo)題。在主菜單中選擇【 Preferences】命令，彈出設(shè)定分析模塊對(duì)話框，勾選【 Structural】和【 Thermal】復(fù)選框（如圖 35），然后單擊【 OK】按鈕完成分析模塊的選擇。℃ ,密度為 7800kg/m3。 圖 38 導(dǎo)入的模型 5. 劃分網(wǎng)格 在主菜單中選擇【 Preprocessor】 【 Meshing】 【 Mesh Tool】命令，彈出網(wǎng)格劃分選擇的對(duì)話框，如圖 39 勾選各項(xiàng)。單擊【 OK】按鈕，完成分析類型的選擇。單擊【 OK】按鈕，完成初始溫度的設(shè)置 . （ 3）為重軌施加外界條件。在主菜單中選擇【 Solution】 【 Load Step Opts】2 16 【 Time/Frequenc】 【 TimeTime Setup】命令，彈出時(shí)間設(shè)置對(duì)話框，在 Time一欄中輸入本分析的最終時(shí)間 60，在時(shí)間步長(zhǎng)一欄中輸入步長(zhǎng)時(shí)間 5；在加載方式單選按鈕中選中 Stepped 單選按鈕，如圖 313 所示。在 Item 下拉列表中選擇 All Item 表明輸出所有計(jì)算結(jié)果。求解完畢后會(huì)彈出提示對(duì)話框。單擊 OK，則得到第 30s 時(shí)重軌溫度場(chǎng)分布圖 (如圖 314)。 圖 315 單元轉(zhuǎn)換 （ 2） 為結(jié)構(gòu)分析材料屬性。再選擇【 Thermal Expansion】 【 Secant coefficient】 【 Isotropic】 ,如圖 317 所示輸入線膨脹系數(shù)。完成選擇后單擊【 OK】按鈕。 12. 查看應(yīng)力場(chǎng)分布 在主菜單中選擇【 General Postproc】 【 Plot Results】 【 Contour Plot】 【 Nodal Solution】命令，在彈出的 Contour Nodal Solution Data 對(duì)話框中，選擇【 Nodal Solution】 【 Stress】 【 von Mises stress】，如圖 318 所示。 圖 41 圖 42 不同壓強(qiáng)下噴風(fēng)溫度場(chǎng)對(duì)比分析 （ 1） 2 20 圖 43 t=30s的溫度場(chǎng) 圖 44 t=45s的溫度場(chǎng) 圖 45 t=60s的溫度場(chǎng) 21 （ 2） 圖 46 t=30s的溫度場(chǎng) 圖 47 t=45s的溫度場(chǎng) 圖 48 t=60s的 溫度場(chǎng) 2 22 從上面的這些 ANSYS通用后處理器得到的結(jié)果圖（ 43到 48），可以得到 t=30s、 t=45s和 t =60s的最小溫度分別是 874Mpa、 862Mpa和851Mpa, ，分別是 887Mpa、 881Mpa和 875 Mpa。 由 ANSYS仿真結(jié)果可知，在相同的加熱時(shí)間和保溫時(shí)間的條件下， ，具有冷熱快、殘余應(yīng)力小的優(yōu)點(diǎn)，所以在實(shí)際生產(chǎn)的淬火冷卻過程中更宜用 風(fēng)冷卻，這樣會(huì)提高生產(chǎn)中的淬火效率。 (2) 在熱分析過程中充分考慮非線性的熱物性參數(shù)：比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流化熱系數(shù)隨溫度的變化。重軌的淬火過程包括對(duì)重軌的加熱、保溫、噴風(fēng)冷卻和自然冷卻等方面，在未來若是對(duì)重軌的淬火過程進(jìn)行進(jìn)一步研究，則會(huì)對(duì)整個(gè)淬火過程的各個(gè)方面進(jìn)行更加全面的仿真，以更深的了解淬火過程的特點(diǎn)，并獲得更多的研究數(shù)據(jù)和結(jié)論，為實(shí)際生產(chǎn) 的正常運(yùn)行提供更有力的參數(shù)參考。他們是我學(xué)習(xí)和生活上的良師益友，與他們的討論和交流都使我取得進(jìn)步 和提高。馬老師豐富的教學(xué)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、為人處事的方法、忘我的工作熱情、一絲不茍的工作作風(fēng)和對(duì)學(xué)生多方面的關(guān)心深深地教育和影響我，讓我終身受益。本研究可 為實(shí) 25 際生產(chǎn)的正常運(yùn)行提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。主要研究結(jié)論如下： (1) 根據(jù)傳熱學(xué)及有限元理論，建立了重軌淬火過程中的三維傳熱模型，模擬真實(shí)工況，施加特定的邊界條件，并對(duì)多種噴風(fēng)壓力情況進(jìn)行有限元分析。 不同壓強(qiáng)下噴風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比分析 （ 1） 圖 49 t=30s的 應(yīng) 力場(chǎng) 圖 410 t=45s的 應(yīng)力場(chǎng) 23 圖 411 t=60s的 應(yīng)力場(chǎng) （ 2） 圖 412 t=30s的 應(yīng)力場(chǎng) 圖 413 t=45s的 應(yīng)力場(chǎng) 2 24 圖 414 t=60s的 應(yīng)力場(chǎng) 由圖 49到 414可以得到 t=30s、 t=45s和 t =60s的最大應(yīng)力分別是 4555Mpa、 8547Mpa和 6345Mpa, ，分 別是 4686Mpa、 8791Mpa和 6529 Mpa。 圖 318 重軌應(yīng)力場(chǎng)分布圖 19 第四章 重軌淬火過程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析 研究不同壓強(qiáng)下溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的前提條件 重軌的表面換熱系數(shù)決 定重軌在冷淬過程中溫度的變化，圖 41 和 42 分別是重軌在 M pa 、 M pa 冷氣的條件下表面對(duì)流換熱系數(shù)隨重軌表面溫度的變化情況。求解完畢后會(huì)彈出提示對(duì)話框。 （ 2） 施加溫度載荷。在主菜單中選擇【 Preprocessor】 【 Material Props】 【 Material Model】命令，選擇【 Structural】選項(xiàng)。在主菜單中選擇【 Preferences】命令，彈出設(shè)定分析模塊對(duì)話框，勾選【 Structural】復(fù)選框 .單擊【 OK】按鈕。 在主菜單中選擇【 General Postproc】 【 Read Results】 【 By Pick】 ,在彈出的 Results File 對(duì)話框，選擇時(shí)間為 30 的一項(xiàng)，再單擊 Read 按鈕。單擊 OK 按鈕，完成結(jié)果輸出控制的設(shè)置。 (2) 設(shè)置結(jié)