【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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的重軌為研究對(duì)象，借助大型有限元軟件 ANSYS，對(duì)系統(tǒng)中復(fù) 雜的重軌淬火瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了有限元法的可視化研究。單擊 OK，則得到重軌應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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(shí)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(diǎn)拾取對(duì)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(duì)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(jiàn)表 1。在每一個(gè)等溫步長(zhǎng)中，新相形成的體積百分?jǐn)?shù)用等溫相變動(dòng)力學(xué)計(jì)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(duì)重軌進(jìn)行淬火處理的時(shí)候，引起應(yīng)力的原因是溫度分布不均，各節(jié)點(diǎn)的膨脹量不同，屬于熱彈性和熱塑性問(wèn)題 【 14】 。 當(dāng)為第二類邊界時(shí)，最常用的是絕熱邊界，即 0????snT?，此時(shí)取 kH = 0即可。常見(jiàn)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(wú)限多的，微分方程的解即數(shù)學(xué)上所說(shuō)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(lái)，除了微分方程以外，還必須再附加若干對(duì)所求解的特定導(dǎo)熱問(wèn)題的自身特點(diǎn)和外部環(huán)境等情況的限定或者補(bǔ)充說(shuō)明。 5 重軌淬火溫度場(chǎng)理論基礎(chǔ) 熱傳遞方式 熱傳遞方式 【 9】 有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)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(guò) Treffetz 法研究了二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)逆問(wèn)題的求解方法。 1978年瑞典學(xué)者 Hidenwall 計(jì)算了滲碳鋼的淬火殘余應(yīng)力，在計(jì)算時(shí)使用了最初用于根據(jù)等溫轉(zhuǎn)變的孕育期預(yù)測(cè)連續(xù)冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變溫度的疊加法則，將連續(xù)冷卻離散成每一小時(shí)間段的階梯冷卻，借助虛擬時(shí)間的概念成功地解決了如何利用”盯曲線預(yù)測(cè)連續(xù)冷卻過(guò)程組織轉(zhuǎn)變量的問(wèn)題。這些物理現(xiàn)象也正是材料實(shí)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(jiǎn)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(kāi)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(lái)模擬淬火過(guò)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(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的支持，取得了令人滿意的效果。 近幾年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、有限元技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展 , 使各國(guó)學(xué)者可根據(jù)淬火過(guò)程數(shù)學(xué)模型 ,利用有限元技術(shù)計(jì)算各場(chǎng)量 , 再利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論動(dòng)態(tài)顯示零件淬火過(guò)程中溫度、組織、應(yīng)力應(yīng)變、殘余應(yīng)力及零件變形隨時(shí)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(shí)際生產(chǎn)過(guò)程提供參考或指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn) . 我國(guó)是一個(gè)以鐵路運(yùn)輸為主的國(guó)家 。 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 論文題目： 基于 ANSYS 的 重軌淬火溫度場(chǎng)和應(yīng) 力場(chǎng)仿真分析 2 基于 ANSYS 的重軌淬火溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真分析 摘 要 本文以規(guī)格為 50kg／ m的重軌為研究對(duì)象，通過(guò)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(dòng)態(tài)邊界條件，運(yùn)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(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的三維模型。隨 著我 國(guó)經(jīng)濟(jì) 的 發(fā) 展、 鐵 路 運(yùn) 力的提高和火 車 速度的提高， 對(duì) 重 軌 性能的要求也在提高。 盡管如此，淬火過(guò)程仍存在很多問(wèn)題需要解決，原因之一就是淬火是一個(gè)工件溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、組織場(chǎng)及淬火介質(zhì)流場(chǎng)耦合的過(guò)程，但是關(guān)于這一耦合過(guò)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(yàn)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法保證較高的生產(chǎn)率。 20世紀(jì) 70年代以來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，熱處理過(guò)程的數(shù)值模擬也隨之成為一個(gè)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(chǎng)的計(jì)算機(jī)程序；奧地利的ferRammerstor 對(duì)淬火過(guò)程進(jìn)行了熱彈塑性分析，并對(duì)比了等向強(qiáng)化和隨動(dòng)強(qiáng)化、蠕變、相變塑性等對(duì)模擬結(jié)果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相變塑性對(duì)應(yīng)力影響較大，而蠕變影響較小可以忽略；日本的 T． Inoue對(duì)淬火和回火過(guò)程進(jìn)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(kāi)發(fā)出的熱處理數(shù)值模擬軟件“ HEARTS可對(duì)中小型零件的水淬、滲碳淬火、感應(yīng)淬火進(jìn)行數(shù)值模擬，并得到實(shí)際測(cè)試結(jié)果的驗(yàn)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(jì)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(wèn)題的有效 方法。而本文研究的是不同壓強(qiáng)下的噴風(fēng)冷卻的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，主要用到熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流兩種方式，所以在下文中僅對(duì)這兩種熱傳遞方式做了簡(jiǎn)單介紹： 1. 熱傳導(dǎo) 熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)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(shuō)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(wèn)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(shí)間、位置的變化而變化。 當(dāng)為三類邊界條件時(shí)，最常用的是對(duì)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(duì) 溫度 表 示； ? 為 Stefan ． Boltzmann 常數(shù)，)/( 428 kmW???? ； ? 為重軌表面的輻射率。材料進(jìn)入塑性狀態(tài)后而是物理非線性的。 對(duì)于軸對(duì)稱問(wèn)題，為書寫方便，用 4321 ???? 、 記四個(gè) zrr ???? ?、z ， 并寫做 ?????? }{}{ 4321 、? （ ） 表示應(yīng)力向量。 增量變剛度法的特點(diǎn)是將載荷分段逐步增加，增加一次載荷，就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變?cè)隽????? 和 ???? ，只要增加載荷適當(dāng)?shù)男?，則可近似認(rèn)為在此計(jì)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(gè)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(duì)應(yīng)珠光體， k=2對(duì)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)