【正文】 ，重軌殘余的熱應(yīng)力更小。單擊提示對(duì)話框中的 OK 按鈕，則求解結(jié)束。選擇【 Linear】 【 Elastic】 【 Isotropic】，如圖 316 所示輸入 彈性模量和泊松比。 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【 DOF Solution】 【 Nodal Temperature】 。 在主菜單中選擇【 Solution】 【 Load Step Opts】 【 Output Ctrls】 【 DB/Results File】命令，彈出結(jié)果輸出對(duì)話框。選擇自由度為 TEMP，并設(shè)置初始溫 度為 900，如圖 311 所示。 圖 37 定義材料屬性 4. 導(dǎo)入模型 在通用菜單中選擇【 File】 【 Import】 【 IGES】命令，彈出選擇文件的對(duì)2 14 話，選擇 IGES 格式的文件，然后單擊【 OK】按鈕，導(dǎo)入重軌的三維模型（如圖 38）。本文做的是對(duì)重軌 的結(jié)構(gòu)分析和熱分析，所以只需要選擇結(jié)構(gòu)分析和熱分析模塊?！?。 用 ANSYS 模擬分析重軌溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的步驟 建立重軌的三維模型 GB（ T） 681987 可查得國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 50kg/m 重軌外形尺寸，如圖 31 所示 . 圖 31 鋼軌橫截面圖尺寸（ mm） 11 Pro/E 畫(huà)出重軌的三維模型（如圖 32），并以 IGES 格式保存文件“ zhonggui”。 組織場(chǎng)求解理論基礎(chǔ) 鐵道部技術(shù)政策明確規(guī)定，凡 50kg／ m及以上的重軌軌頭要求全部淬火。基于等效強(qiáng)化強(qiáng)化 Mises 屈服準(zhǔn)則基礎(chǔ)上流動(dòng)法則，又稱(chēng)為 ReussPrandtl? 塑性流動(dòng)增量理論，其表達(dá)式為： 9 }{}{ ???? ???pd （ ） 熱彈塑性問(wèn)題的求解 由于重軌淬火過(guò)程中，最大變形量約在 2％～ 3％ 左右，仍屬于小變形范圍，故在熱彈塑性問(wèn)題中的幾何方程仍可沿用彈性問(wèn)題的幾何方程只是剛度矩陣， 要以 epD 代替 eD 。同時(shí)，還顯示出各向同性強(qiáng)化。因此，要對(duì)淬火過(guò)程進(jìn)行精2 8 確地?cái)?shù)值模擬，需要準(zhǔn)確確定特定問(wèn)題的換熱邊界條件。其表達(dá)式為 )( cks TTHnT ????? ?? （ 2. 8） 為簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)編 程，將上述三類(lèi)邊界條件統(tǒng)一為用第三類(lèi)式子表達(dá)。對(duì)于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，它常常是使導(dǎo)熱過(guò)程得以發(fā)生和發(fā)展的外界驅(qū)動(dòng)力。諸如有關(guān)的各項(xiàng)物性參數(shù)以及它們是否隨溫度變化，有沒(méi)有內(nèi)熱源存在，是否均勻分布等等。 重軌淬火時(shí)定解條件 根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律，可以建立熱傳導(dǎo)問(wèn)題的控制方程： tTcQzTkzyTkyxTkx Tzyx ?????????????????? ??)()()( （ ） 式（ ）中， ? 為材料的密度； Tc 為材料的比熱； xk 、 yk 、 zk 分別為沿 x、y、 z方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)； Q(x， y， z， t)為物體內(nèi)部的熱強(qiáng)度。 第二章 重軌淬火溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的理論基礎(chǔ) 重軌淬火時(shí)，在重軌與淬火介質(zhì)間不斷換熱的同時(shí)，重軌內(nèi)存在溫差和熱傳導(dǎo)，重軌內(nèi)的組織、溫度及應(yīng)力分布不斷發(fā)生變化。 2 4 20世紀(jì) 80年代末，清華大學(xué)等單位采用有限單元法對(duì)大型軋輥和電機(jī)轉(zhuǎn)子淬火過(guò)程的溫度場(chǎng)、顯微組織場(chǎng)及內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，并根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)工藝提出了有益的改進(jìn)意見(jiàn) 。 20世紀(jì) 70年代初，當(dāng)組織轉(zhuǎn)變數(shù)值 模擬提到日程上來(lái)時(shí)，就有兩種描述組織轉(zhuǎn)變過(guò)程的方法，即 TTT曲線法和 CCT曲線法，為組織轉(zhuǎn)變的數(shù)值模擬提供了兩種途徑。 重軌淬火數(shù)值模擬的國(guó)內(nèi)外研究 現(xiàn)狀 熱處理的實(shí)質(zhì)是使鋼在固態(tài)范圍內(nèi)，通過(guò)加熱、保溫和快速冷卻的方法，改變內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改變其性能的一種工藝。不會(huì)出現(xiàn)馬氏體組織。 影響重軌淬火技術(shù)的主要因素 重軌的淬火過(guò)程是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，一般有風(fēng)冷、霧冷、水冷三種方式 【 5】 。實(shí)踐證明，在重軌軌頭使 用淬火熱處理的重軌不僅提高了重軌的強(qiáng)度和使用壽命，而且大大提高了安全使用性能。得到最佳的噴風(fēng)冷卻時(shí)壓強(qiáng)，從而為實(shí)際生產(chǎn)制定合理的重軌淬火工藝提供了依據(jù)。根據(jù)重軌溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，選擇合理的噴風(fēng)壓強(qiáng)，最終得到理想的索氏體組織。由于硬度的普遍提高，重 軌 的脆性、韌 性以及 凈 度等 問(wèn)題 又重新突出了，重 軌 在冷卻不均 勻 的情 況 下，重 軌內(nèi) 部的 溫度 場(chǎng)變 化情 況 不 僅 直接影 響 相 變 ，而且 對(duì)內(nèi)應(yīng) 力也 產(chǎn) 生很大的影 響 。生產(chǎn)實(shí)踐表明，淬火過(guò)程是熱處理過(guò)程 【 3】 中返修率最高和廢品率最高的工序，是熱處理質(zhì)量控制中最難掌握的環(huán)節(jié)，它涉及到試件的溫度場(chǎng)、顯微組織場(chǎng)和內(nèi)應(yīng)力 (應(yīng)變 )場(chǎng)和介質(zhì)的流場(chǎng)等，2 測(cè)量和理論分析難度都很大。因?yàn)閴嚎s空氣冷卻噴風(fēng)器不像噴霧器那樣會(huì)發(fā)生阻塞，冷卻速度基本恒定，對(duì)重軌表面狀態(tài)不敏感，可以保證淬火質(zhì)量?？墒蔷褪沁@種工藝也不是很完善的。 淬火過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬是熱處理過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬的重要組成部分。 淬火過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬在我國(guó)發(fā)展較晚。結(jié)果表明 , 準(zhǔn)確選擇淬火時(shí)加熱、保溫時(shí)間和風(fēng)冷時(shí)的壓強(qiáng) , 能顯著降低軌頭的淬火應(yīng)力 , 對(duì) U71Mn重軌軌頭熱處理中相關(guān)參數(shù)的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。 2. 熱對(duì)流 熱對(duì)流是指固體的表面與它周?chē)佑|的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。 對(duì)一般的導(dǎo)熱問(wèn)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。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。q 為已知，規(guī)定熱流密度 39。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。一般處理彈塑性問(wèn)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。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。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(chēng)這種方法為增量變剛度法。再將重軌的三維模型導(dǎo)入 ANSYS 軟件中?！?1) 478 487 505 533 579 650 772 760 623 K/(W 2 12 （ 3） 設(shè)置工作標(biāo)題?！?,密度為 7800kg/m3。單擊【 OK】按鈕，完成分析類(lèi)型的選擇。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。求解完畢后會(huì)彈出提示對(duì)話框。 圖 315 單元轉(zhuǎn)換 （ 2） 為結(jié)構(gòu)分析材料屬性。完成選擇后單擊【 OK】按鈕。 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。 (2) 在熱分析過(guò)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。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。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。 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