【正文】 ADINA等，大多數(shù)的模擬結(jié)果都得到了實驗測試數(shù)據(jù)的支持，取得了令人滿意的效果。淬火過程是一個各種場相互耦合的復雜過程，要在理論上求解各場量的解析解是非常困難的，甚至是不可能的。如果熱處理不當，殘余應 力比較大，出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，或者硬度不夠。當工藝參數(shù)優(yōu)選后，只要重軌含碳量大于 0． 7％，使用壓縮空氣可以使奧氏體實現(xiàn)向索氏體的轉(zhuǎn)變，并且能夠保證熱處理后的材質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻。采用單一的介質(zhì)風淬 ，工藝穩(wěn)定，操作簡便，確保了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)性能。主要的問題仍然是淬火重軌的硬度偏低。這些物理現(xiàn)象也正是材料實現(xiàn)淬火硬化的主要依據(jù)。它能對試件的溫度場、顯微組織場和內(nèi)應力場進行耦合計算，給出每一瞬間的溫度場面、顯微組織場和內(nèi)應力場，并能直接地觀察到各場量在淬火過程中的變化情況，這樣就可以在節(jié)省大量的人力、物力、財務和時問的情況下對試件進行全面的分析，預測試件淬火后的組織性能，從而可對淬火工藝方案進行優(yōu)化，使工藝更加高效合理。 1978年瑞典學者 Hidenwall 計算了滲碳鋼的淬火殘余應力，在計算時使用了最初用于根據(jù)等溫轉(zhuǎn)變的孕育期預測連續(xù)冷卻時轉(zhuǎn)變溫度的疊加法則，將連續(xù)冷卻離散成每一小時間段的階梯冷卻，借助虛擬時間的概念成功地解決了如何利用”盯曲線預測連續(xù)冷卻過程組織轉(zhuǎn)變量的問題。 20世紀 80年代中期，上海重機廠等單位開始采用有限差分法，對大型軋輥淬火過程溫度場進行了計算。 MiChael J． CIALKOWSI、 Ndrzej FRACKOWIAK、N． M． AL— Najem、 A． M． Osman、 M． M． ELRefaee、 K． M． Khanafe【 6】等人通過 Treffetz 法研究了二維穩(wěn)態(tài)熱傳導逆問題的求解方法。 目前，對淬火試件內(nèi)應力場的研究主要集中在淬火過程中試件的瞬態(tài)溫度、相應、應力之間的耦合作用，其目的是能準確地反映出實際過程各場量的變化，較為準確地預測出淬火后試件內(nèi)部組織、 性能、應力和畸變。 5 重軌淬火溫度場理論基礎 熱傳遞方式 熱傳遞方式 【 9】 有熱傳導、熱對流和熱輻射三種。熱對流可以分為兩類：自然對流和強制對流。但滿足導熱微分方程的解是無限多的，微分方程的解即數(shù)學上所說的 通解中必定包含有待定的積分常數(shù)，要使這些待定常數(shù)唯一地確定下來，除了微分方程以外，還必須再附加若干對所求解的特定導熱問題的自身特點和外部環(huán)境等情況的限定或者補充說明。幾何條件是指參與導熱過程的重軌的幾何尺度、形狀。邊界條件是指導熱重軌在其邊界面上與外部環(huán)境之間在熱交換方面的聯(lián)系或相互作用。此時 )(00 zyxTT t 、?? （ ） 式（ ）中， )(0 zyxT 、 為已知溫度函數(shù)。常見的邊界條件有以下三類： （ 1）第一類邊界條件，是指重軌邊界條件邊界上的溫度或溫度函數(shù)為已知。q 7 的方向等同于邊界法線 n的方向，其表達式為 ）、（或者 zyxtqnTqnT ss ?? ?? ???????? （ 2. 7） 式（ ）中， ?q 為已知重軌表面的熱流密度，為定值 ( )/( 2mW )；）、（ zyxtq? 為己知重軌的熱流密度函數(shù)，隨位置、時間而變化。 當為第二類邊界時，最常用的是絕熱邊界，即 0????snT?，此時取 kH = 0即可。即使在線性換熱邊界條件中，當已知的溫度、換熱系數(shù)、熱流密度等參數(shù)隨著材料的物性參數(shù)、導熱時間及材料 中溫度場的變化而發(fā)生變化時，線性換熱邊界條件就變?yōu)榉蔷€性換熱邊界條件。對重軌進行淬火處理的時候，引起應力的原因是溫度分布不均，各節(jié)點的膨脹量不同，屬于熱彈性和熱塑性問題 【 14】 。 根據(jù)體積不變定律，可導出塑性變形時的泊松系數(shù)為 ? =。即： s??? （ ） 式 ()中， ? 為等效 應力， s? 為屈服極限。在復雜應力狀態(tài)下，設新的屈服應力只與卸載前的等效塑性應變總量有關，即只有當應力適合式時才會發(fā)生塑性變形。常用的方法有增量變剛度法、初應力法、初應變法等。 用增量變剛度法求解彈塑性問題時，不是在每一次加載后所有單元都處于彈性或塑性狀態(tài)，實際上可能是下列三種狀態(tài)并存： (1)單元處于彈性狀態(tài)，稱為彈性單元； (2)單元處于塑性狀態(tài)，稱為塑性單元； (3)單元 在加載前處于彈性狀態(tài)，加載后處于塑性狀態(tài)，稱為過渡單元。在每一個等溫步長中，新相形成的體積百分數(shù)用等溫相變動力學計算。利用 ANSYS 軟件，以已知的初始條件和邊界條件，得到重軌的溫度場仿真圖。泊松比 ，彈性模量 220Gpa,其余的主要物性參數(shù)見表 1。 m1在通用菜單中選擇【 File】 【 Change Directory】命令，彈出【 Change Directory】對話框，選擇自己的工作目錄，單擊【 OK】按鈕。在通用菜單中選擇【 File】 【 Change Title】命令，彈出【 Change Title】對話框，輸入文件名“ zhonggui”（如圖 34），單擊【 OK】按鈕。 圖 33 設置文件名 圖 34 設置工作標題 圖 35 設定分析模塊 2. 選擇單元類型 在主菜單中選擇【 Element Type】 【 Add/Edit/Delete】，選擇單元類型SOLID90，如圖 36 所示。在主菜單中選擇【 Preprocessor】 【 Material Props】 【 Material Model】命令，彈出材料屬性定義對話框。然后單擊【 OK】按鈕，得到重軌的有限元模型（如圖 310）。 （ 2） 設置重軌的初始溫度。在主菜單中選擇【 Solution】 【 Define Loads】【 Apply】 【 Thermal】 【 Convection】 【 On Areas】命令，彈出節(jié)點拾取對話框。單擊 OK 按鈕，完成時間和載 荷步的設置。同時在 FREQ 欄中選中 Every Substep 。單擊提示對話框中的 OK 按鈕，則求解結(jié)束。 17 圖 314 重軌溫度場分布圖 ，添加材料模型 （ 1） 將熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元。 線膨脹系數(shù) ，泊松比 ，彈性模量 220Gpa。 圖 316 彈性模量和泊松比 圖 317 線膨脹系數(shù) 2 18 10. 施加熱載荷 （ 1） 在通用菜單中選擇【 Select】 【 Everything】命令，選取所有元素。 11. 求解，結(jié)構(gòu)分析 在主菜單中選擇【 Solution】 【 Solve】 【 Current LS】命令，彈出求解確認對話框，單擊 OK 按鈕，求解開始。單擊 OK，則得到重軌應力場分布圖 (如圖 318)。 可以看出 冷卻能力比 ，在同樣加熱、保溫、冷卻時間相同條件下，前者溫度下降的快。 第五章 全文總結(jié) 論文研究結(jié)論 本文主要以國家標準的重軌為研究對象，借助大型有限元軟件 ANSYS，對系統(tǒng)中復 雜的重軌淬火瞬態(tài)溫度場和應力場進行了有限元法的可視化研究。計算模擬淬火過程中的溫度場和應力場，并對仿真結(jié)果進行比較分析，了解了不同的噴風壓力對溫度場 和應力場的影響。 2 26 致 謝 本課題的研究和論文的撰寫是在導師馬利杰教授的悉心指導下完成的。 27 參考文獻 【 1】 王勖成．有限單元法【 M】．清華大學出版社． 20xx 【 2】 劉莊，吳肇基，吳景之等．熱處理過程的數(shù)值模擬【 M】．第一版．北京：科學出版社， 1996 【 3】 黃日升．鋼軌在整體加熱全長淬火熱處理過程中的應力分布和變形的粗淺探討【 J】．包鋼科技， 1997 【 4】 謝建斌，程赫明，何天淳等． 1045 銅 ]淬火時溫度場的數(shù)值模擬【 J】．甘肅工業(yè) 大學學報， 20xx 【 5】 侯立軍． TIO 鋼高壓氣體淬火過程中的數(shù)值模擬【 D】．昆明理工大學，20xx 【 6】 Michael J． CIALKOWSKI, ndrzej FRACKOWIAK． Solution of the stationary 2D Inverse Heat Conduction Problem by Treffetz Method【 J】 ． J． of Thermal Science， 20xx 【 7】 薛守義．有限單元法【 M】．中國建材出版社． 20xx 【 8】 馮曉丹，張玉．基于 ANSYS軟件的 T8鋼淬火過程三維溫度場的模擬【 J】．模具制造， 20xx 【 9】 秦宇 . 基礎與實例教程 . 北京：化學工業(yè)出版社， 20xx 【 10】 楊世銘，陶文銓．傳熱學【 M】．第四版．北京高等教育出版社， 20xx 【 11】 梁木子，文杰，程先華等．蒸汽管道外接座溫度場和熱應力場的有限元計算【 J】．上海交通大學學報， 20xx 【 12】 付斌，安濤，沈曉輝等．火車車輪淬火過程中的溫度場【 J】．鋼鐵研究學報， 20xx 【 13】 田東，胡明娟，潘劍生． T8鋼淬火過程三維溫度場計算及實驗【 J】 ．上海交通大學學報， 1998 【 14】 武斌斌，溫殿英，李連進．用有限元方法分析無縫鋼管的淬火殘余應力【 J】．重型機械， 20xx