【正文】 2 26 致 謝 本課題的研究和論文的撰寫是在導(dǎo)師馬利杰教授的悉心指導(dǎo)下完成的。 第五章 全文總結(jié) 論文研究結(jié)論 本文主要以國家標(biāo)準(zhǔn)的重軌為研究對象，借助大型有限元軟件 ANSYS，對系統(tǒng)中復(fù) 雜的重軌淬火瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場進行了有限元法的可視化研究。單擊 OK，則得到重軌應(yīng)力場分布圖 (如圖 318)。 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。 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。同時在 FREQ 欄中選中 Every Substep 。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。然后單擊【 OK】按鈕，得到重軌的有限元模型（如圖 310）。 圖 33 設(shè)置文件名 圖 34 設(shè)置工作標(biāo)題 圖 35 設(shè)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。泊松比 ，彈性模量 220Gpa,其余的主要物性參數(shù)見表 1。在每一個等溫步長中，新相形成的體積百分?jǐn)?shù)用等溫相變動力學(xué)計算。常用的方法有增量變剛度法、初應(yīng)力法、初應(yīng)變法等。即： s??? （ ） 式 ()中， ? 為等效 應(yīng)力， s? 為屈服極限。對重軌進行淬火處理的時候，引起應(yīng)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】 。 當(dāng)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。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。邊界條件是指導(dǎo)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。但滿足導(dǎo)熱微分方程的解是無限多的，微分方程的解即數(shù)學(xué)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(dǎo)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。 5 重軌淬火溫度場理論基礎(chǔ) 熱傳遞方式 熱傳遞方式 【 9】 有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種。 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(dǎo)逆問題的求解方法。 1978年瑞典學(xué)者 Hidenwall 計算了滲碳鋼的淬火殘余應(yīng)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(yù)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(yù)測連續(xù)冷卻過程組織轉(zhuǎn)變量的問題。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)。采用單一的介質(zhì)風(fēng)淬 ，工藝穩(wěn)定，操作簡便，確保了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)性能。如果熱處理不當(dāng)，殘余應(yīng) 力比較大，出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，或者硬度不夠。 目前普遍采用比較成熟的有限元法 【 1】 求解控制方程來模擬淬火過程的變化所使用的有限元軟件有 ANSYS、 MARC、 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。 近幾年隨著計算機技術(shù)、有限元技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展 , 使各國學(xué)者可根據(jù)淬火過程數(shù)學(xué)模型 ,利用有限元技術(shù)計算各場量 , 再利用計算機圖形學(xué)理論動態(tài)顯示零件淬火過程中溫度、組織、應(yīng)力應(yīng)變、殘余應(yīng)力及零件變形隨時間變化的情況 . 根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果 , 找出適合工藝要求的工藝參數(shù) , 并為實際生產(chǎn)過程提供參考或指導(dǎo)實際生產(chǎn) . 我國是一個以鐵路運輸為主的國家 。 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 論文題目： 基于 ANSYS 的 重軌淬火溫度場和應(yīng) 力場仿真分析 2 基于 ANSYS 的重軌淬火溫度場和應(yīng)力場仿真分析 摘 要 本文以規(guī)格為 50kg／ m的重軌為研究對象，通過綜合考慮材料熱物性參數(shù)隨溫度的非線性變化、熱傳導(dǎo)及高壓氣體冷卻等動態(tài)邊界條件，運用 ANSYS軟件，采用有限單元法，建立了淬火重軌的瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場的三維模型。隨 著我 國經(jīng)濟 的 發(fā) 展、 鐵 路 運 力的提高和火 車 速度的提高， 對 重 軌 性能的要求也在提高。 盡管如此，淬火過程仍存在很多問題需要解決，原因之一就是淬火是一個工件溫度場、應(yīng)力場、組織場及淬火介質(zhì)流場耦合的過程，但是關(guān)于這一耦合過程尚缺乏成熟的定量的統(tǒng)一理論 【 2】 。而工人師傅完全憑經(jīng)驗判斷，于是產(chǎn)品質(zhì)量不高或次品率較大，重軌生產(chǎn)效率大大降低。但是，冷卻后的硬度值普遍偏低，且由于冷卻時間過長，無法保證較高的生產(chǎn)率。 20世紀(jì) 70年代以來，由于計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，熱處理過程的數(shù)值模擬也隨之成為一個舉世關(guān)注的研究領(lǐng)域。 至 20世經(jīng) 80年代初，已經(jīng) 編制了一批非穩(wěn)態(tài)溫度場的計算機程序；奧地利的ferRammerstor 對淬火過程進行了熱彈塑性分析，并對比了等向強化和隨動強化、蠕變、相變塑性等對模擬結(jié)果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相變塑性對應(yīng)力影響較大，而蠕變影響較小可以忽略；日本的 T． Inoue對淬火和回火過程進行了持續(xù)、系統(tǒng)的物理模擬研究和數(shù)值模擬研究，他們開發(fā)出的熱處理數(shù)值模擬軟件“ HEARTS可對中小型零件的水淬、滲碳淬火、感應(yīng)淬火進行數(shù)值模擬，并得到實際測試結(jié)果的驗證。他們提出有限元和函數(shù)，用最小二乘法、邊界元法 【 7】 等不同方法估計了直角區(qū)域的表面溫度、熱流密度結(jié)果表明邊界元法 (BEM)是解決逆問題的有效 方法。而本文研究的是不同壓強下的噴風(fēng)冷卻的溫度場和應(yīng)力場，主要用到熱傳導(dǎo)和熱對流兩種方式，所以在下文中僅對這兩種熱傳遞方式做了簡單介紹： 1. 熱傳導(dǎo) 熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個物體之間或一個物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換。這些附加的說明和限定條件即單值條件，數(shù)學(xué)上稱為定解條件。 因此，為了研究并模擬重軌熱問題，就需要確定淬火工件的幾何條件、重軌熱物性參數(shù)、淬火工件和淬火介質(zhì)的初始溫度分布 (初始條件 )、淬火工件外表面與淬火介質(zhì)之間的熱交換情況 (邊界條件 )等定解條件。用公式表示為： )( zyxTTTT ss 、或者 ?? ?? （ ） 式 ()中，下標(biāo) s為重軌的邊界條件范圍； ?T 為已知的重軌表面溫度 ,為定值 (℃ )； )( zyxT 、? 為已知重軌的表面溫度函數(shù)，隨時間、位置的變化而變化。 當(dāng)為三類邊界條件時，最常用的是對流系數(shù)和輻射混合的換熱邊界，其表達(dá)式為 )()( 44ccks TTTTHnT ??????? ?? ??? = )(( csck TTHTTH ??? ?? ） = )( cTTH ?? （ ） 式中， H 為總換熱系數(shù)： sk HHH ?? sH 為輻射換熱系數(shù)： ))(( 22 ccs TTTTH ??? ???? （ ） 式 中 溫度 值要 用 絕對 溫度 表 示； ? 為 Stefan ． Boltzmann 常數(shù)，)/( 428 kmW???? ； ? 為重軌表面的輻射率。材料進入塑性狀態(tài)后而是物理非線性的。 對于軸對稱問題，為書寫方便，用 4321 ???? 、 記四個 zrr ???? ?、z ， 并寫做 ?????? }{}{ 4321 、? （ ） 表示應(yīng)力向量。 增量變剛度法的特點是將載荷分段逐步增加，增加一次載荷，就會產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變增量 ???? 和 ???? ，只要增加載荷適當(dāng)?shù)男?，則可近似認(rèn)為在此計算步內(nèi)??? 保持不變，則 ? ? ? ??? ??? epD （ ） 成線性關(guān)系。珠光體和貝氏體的等溫相變體積百分比按 MehlJohnson? 所提出的公式： )exp(1 knkk tbV ??? （ ） V為 k相的體積百分含量； kb 、 kn 仇為兩個與溫度有關(guān)的參數(shù)，它們可以從材料的等溫相變圖求得； k=1對應(yīng)珠光體， k=2對應(yīng)貝氏體。 表 1 鋼軌的物性參數(shù) T/℃ 100 200 300 400 500 600 700 800 900 c/(J （ 2） 設(shè)