【正文】 ail， Quenching， Temperature field， Stress filed， ANSYS 2 4 目 錄 第一章 緒論 ......................................................... 1 課題研究意義 ................................................... 1 影響重軌淬火技術(shù)的主要因素 ..................................... 2 重軌淬火數(shù)值模擬的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ............................... 2 研究?jī)?nèi)容 ....................................................... 4 第二章 重軌淬火溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的理論基礎(chǔ) ............................. 4 重軌淬火溫度場(chǎng)理論基礎(chǔ) ......................................... 5 熱傳遞方式 ................................................. 5 重軌淬火時(shí)定解條件 ......................................... 5 淬火時(shí)熱傳導(dǎo)初始條件 ....................................... 6 重軌淬火的邊界條件 ......................................... 6 重軌淬火應(yīng)力場(chǎng)理論基礎(chǔ) ......................................... 8 熱彈性和熱塑性問(wèn)題 ......................................... 8 熱彈塑性問(wèn)題的求解 ......................................... 9 組織場(chǎng)求解理論基礎(chǔ) ............................................. 9 第三章 重軌溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng) ANSYS 仿真過(guò)程 .......................... 10 用 ANSYS 模擬分析重軌溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的方法 .................... 10 用 ANSYS 模擬分析重軌溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的步驟 .................... 10 建立重軌的三維模型 ........................................ 10 確定重軌的各項(xiàng)材料參數(shù)及初始條件 .......................... 11 ANSYS 仿真重軌溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的基本步驟 ................... 11 第四章 重軌淬火過(guò)程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析 ............................ 19 研究不同壓強(qiáng)下溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的前提條件 ........................ 19 不同壓強(qiáng)下噴風(fēng)溫度場(chǎng)對(duì)比分析 .................................. 19 不同壓強(qiáng)下噴風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比分析 .................................. 22 第五章 全文總結(jié) .................................................... 24 論文研究結(jié)論 .................................................. 24 論文研究的不足及展望 .......................................... 25 致 謝 .............................................................. 26 參考文獻(xiàn) ........................................................... 27 1 第一章 緒論 課題研究意義 淬火是機(jī)械零件生產(chǎn)加工過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一 , 它涉及到傳 熱學(xué)、金屬相變動(dòng)力學(xué)、化學(xué)、力學(xué)等多種學(xué)科 . 淬火過(guò)程是一個(gè)溫度、應(yīng)力、相變相互影響的高度非線性問(wèn)題 , 在理論上對(duì)溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)耦合求解幾乎是不可能的。通過(guò)ANSYA軟件仿真淬火重軌各個(gè)時(shí)間段的溫度場(chǎng)。無(wú) 論 是 歐 洲的 傳統(tǒng) 型 鐵 路， 還是城市型 鐵 路都要求重 軌 具有更高的硬度。 淬火處理的實(shí)質(zhì) 就是通過(guò)適度調(diào)整和控制淬火介質(zhì)的流速、溫度以調(diào)整和控制淬火試件的溫度場(chǎng)、顯微組織場(chǎng)和內(nèi)應(yīng)力 (應(yīng)變 )場(chǎng)，使得試件獲得所需要的組織、性能和較小的殘余應(yīng)力及殘余形變。 實(shí)踐證明，采用壓縮空氣冷卻可以克服上述缺點(diǎn)。對(duì)大斷面的 60Kg／ m， 75Kg／ m淬火軌來(lái)說(shuō)，僅僅采用風(fēng)淬則無(wú)法達(dá)到對(duì)淬硬層深度的要求，而且有許多待改進(jìn)之處，所以出現(xiàn)了“先噴風(fēng)，后噴水 的工藝。對(duì)于一些與熱處理相關(guān)的學(xué)科，如數(shù)值計(jì)算方法、傳熱學(xué)、熱應(yīng)力理論、相變動(dòng)力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等在國(guó)內(nèi)外都丌展了較為深入的研究，從而為熱 處理過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬和仿真技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。法國(guó)的 Denis貝在馬氏體淬火過(guò)程中的熱力學(xué)分析和內(nèi)應(yīng)力計(jì)算過(guò)程中全面考慮了相變塑性和內(nèi)應(yīng)力對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的影響，描述了它們對(duì)殘余應(yīng)力的影響，并與實(shí)際測(cè)定的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比。 20xx年，李公法 , 屈海端 , 楊金堂 , 尹強(qiáng) , 龍 華 , 張小亮等人利用有限元分析軟件對(duì) U71M n重軌軌頭淬火過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬 【 8】 , 并對(duì)影響其分布的各種因素進(jìn)行研究。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律 【 10】 ： dxdTkqn ?? （ ） 式（ ）中，nq 為熱流密度（ W/m2）； k 為導(dǎo)熱系數(shù)（ W/m℃ ）；負(fù)號(hào)表示熱量流向溫度降低的方向。對(duì)任何一個(gè)具體導(dǎo)熱問(wèn)題完整的數(shù)學(xué)描述，除了經(jīng)適當(dāng)選擇的坐標(biāo)下的導(dǎo)熱微分方程以外，還必須同時(shí)給出相應(yīng)的定2 6 解條件。 淬火時(shí)熱傳導(dǎo)初始條件 重軌淬火時(shí)的初始條件包括重軌淬火前的初始溫度分布情況 (溫 度場(chǎng) )和淬火介質(zhì)的初始溫度均勻的，如鍛件從室溫裝爐開始加熱，或者加熱到給定溫度，長(zhǎng)時(shí)間保溫使工件內(nèi)部均勻熱透。 （ 2）第二類邊界條件，是指重軌表面上熱流密度 39。 工程問(wèn)題中越來(lái)越多地出現(xiàn)非線性的輻射邊界或自然對(duì)流邊界，即導(dǎo)熱重軌的表面與外界環(huán)境之間以輻射或者自然對(duì)流換熱的方式相聯(lián)系。為了便于有限元計(jì)算，須做線性化處理。這時(shí)等效應(yīng)力 ? 表達(dá)式為 ? ? }3)()()(21{ 24213232221 ???????? ??????? （ ） 3)應(yīng)變強(qiáng)化規(guī)律。當(dāng)然，這樣計(jì)算會(huì)有偏差，通常采用迭代法來(lái)提高計(jì)算精度。 第三章 重軌溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng) ANSYS 仿真過(guò)程 用 ANSYS 模擬分析重軌溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的方法 在整個(gè)模擬 仿真過(guò)程中，可先用 Pro/E 畫出重軌的三維模型。 kg1在通用菜單中選擇【 File】 【 Change Jobname】命令，彈出【 Change Jobname】對(duì)話框，輸入文件名 11（如圖 33），單擊【 OK】按鈕?！?，導(dǎo)熱系數(shù)為 25W/m在主菜單中選擇【 Solution】 【 Analysis Type】 【 New Analysis】命令，在彈出的新分析對(duì)話框中選擇分析類型為 .單擊【 OK】按鈕，在彈出的瞬態(tài)分析對(duì)話框中選中 Full 單選鍵 。單擊 OK按鈕，對(duì)流邊界條件施加于重軌表面 圖 311 重軌的初始溫度 圖 312 施加外界條件 7. 熱分析求解 （ 1） 設(shè)置時(shí)間和載荷步。 圖 313 時(shí)間和載荷步 （ 3） 在主菜單中選擇【 Solution】 【 Solve】 【 Current LS】命令，彈出求解確認(rèn)對(duì)話框，單擊 OK 按鈕，求解開始 。在主菜單中選擇【 Preferences】 【 Element Type】 【 Switch Elem Type】命令，彈出單元轉(zhuǎn)換對(duì)話框，在下拉菜單中選擇【 Thermal to Struc】選項(xiàng)（如圖 315），單擊【 OK】按鈕，完成熱單元到結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)換。在主菜單中選擇【 Solution】 【 Define Loads】 【 Apply】【 Structural】 【 Temperature】 【 From Therm Analy】命令，系統(tǒng)將彈出【 Apply TEMP From Thermal Analysis】對(duì)話框，單擊【 Browse】按鈕，彈出文件選擇窗口，在工作目錄中選擇“ ”文件。由此，可利用 ANSYS 軟件模擬重軌在 、 Mpa 冷氣的條件下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)情況，通過(guò)比較分析，出最佳的冷噴壓強(qiáng)。獲得了不同的淬火溫度值，并對(duì)比實(shí)際測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了該模型和該方法的真實(shí)可靠性，為進(jìn)一步分析組織場(chǎng)提供了理論依據(jù)。 此外，還要特別感謝機(jī)電學(xué)院的所有代課老師，是他們教會(huì)了我許多知識(shí)；還要感謝機(jī)制 083班的其他同學(xué)，他們?cè)谖宜鸭Y料期間給我很多幫助。 論文研究的不足及展望 本論文主要是對(duì)淬火過(guò)程中重軌在不同壓強(qiáng)下噴風(fēng)冷卻的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，但由于本人在 ANSYS軟件運(yùn)用和載荷加載上的不足，以致仿真出的圖形不是非常理想，在這些方面我會(huì)努力學(xué)習(xí)，不斷加強(qiáng)。比較分析可得， 用