【正文】 計(jì)算模擬淬火過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，了解了不同的噴風(fēng)壓力對(duì)溫度場(chǎng) 和應(yīng)力場(chǎng)的影響。 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(rèn)對(duì)話框，單擊 OK 按鈕，求解開(kāi)始。單擊提示對(duì)話框中的 OK 按鈕，則求解結(jié)束。 （ 2） 設(shè)置重軌的初始溫度。在通用菜單中選擇【 File】 【 Change Title】命令，彈出【 Change Title】對(duì)話框，輸入文件名“ zhonggui”（如圖 34），單擊【 OK】按鈕。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(chǎng)仿真圖。在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，設(shè)新的屈服應(yīng)力只與卸載前的等效塑性應(yīng)變總量有關(guān)，即只有當(dāng)應(yīng)力適合式時(shí)才會(huì)發(fā)生塑性變形。即使在線性換熱邊界條件中，當(dāng)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(dǎo)熱時(shí)間及材料 中溫度場(chǎng)的變化而發(fā)生變化時(shí)，線性換熱邊界條件就變?yōu)榉蔷€性換熱邊界條件。此時(shí) )(00 zyxTT t 、?? （ ） 式（ ）中， )(0 zyxT 、 為已知溫度函數(shù)。熱對(duì)流可以分為兩類：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。 20世紀(jì) 80年代中期，上海重機(jī)廠等單位開(kāi)始采用有限差分法，對(duì)大型軋輥淬火過(guò)程溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。主要的問(wèn)題仍然是淬火重軌的硬度偏低。淬火過(guò)程是一個(gè)各種場(chǎng)相互耦合的復(fù)雜過(guò)程，要在理論上求解各場(chǎng)量的解析解是非常困難的，甚至是不可能的。 在 數(shù)值模擬計(jì)算的過(guò)程中，輸入在不同的噴風(fēng)壓力下的對(duì)流換熱系數(shù)，得到相應(yīng)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。 重軌淬火是提高其韌性和耐磨性的主要途徑之一。淬火軌硬度可至合適并均勻一致。 國(guó)外對(duì)淬火試件淬火數(shù)值模擬計(jì)算比較早，數(shù)值模擬研究始于 70年代， 。 研究?jī)?nèi)容 1． 依據(jù)傳熱原理，建立重軌的三維模型，用有限元方法研究重軌軌頭在淬火過(guò)程中的溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)分布； 2. 研究不同的壓強(qiáng)以及淬火噴風(fēng)時(shí)間對(duì)重軌溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的影響，找出最佳的淬火噴風(fēng)壓強(qiáng)； 3. 結(jié)合熱模擬實(shí)驗(yàn)，為實(shí)際生產(chǎn)的正常運(yùn)行提供理論依據(jù)。物理?xiàng)l件是指導(dǎo)熱重 軌的主要物理參數(shù)和物理特征。 （ 3）第三類邊界條件，又稱牛頓邊界條件，是指重軌與其相接觸的流體介質(zhì)間的熱對(duì)流系數(shù)以和介質(zhì)溫度乃為已知。 2)重軌材料的屈服服從 Mises 屈服準(zhǔn)則。對(duì)于不同的單元，要作不同處理?！?1) 26 ：重軌冷噴前，表面溫度為 900℃ ，淬火冷空氣的溫度 5～ 10℃ ，冷氣的對(duì)流系數(shù) 100W/m2選擇【 Thermal】選項(xiàng)，分別雙擊【 Conductivity】、【 Specific Heat】和【 Density】，輸入比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和密度值，最后結(jié)果如圖37。 (2) 設(shè)置結(jié)果輸出項(xiàng)。在主菜單中選擇【 Preprocessor】 【 Material Props】 【 Material Model】命令，選擇【 Structural】選項(xiàng)。 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 =60s的最大應(yīng)力分別是 4555Mpa、 8547Mpa和 6345Mpa, ，分 別是 4686Mpa、 8791Mpa和 6529 Mpa。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。 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。 圖 315 單元轉(zhuǎn)換 （ 2） 為結(jié)構(gòu)分析材料屬性。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?！?,密度為 7800kg/m3。℃ 1) 478 487 505 533 579 650 772 760 623 K/(W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，故稱這種方法為增量變剛度法。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。q 為已知，規(guī)定熱流密度 39。 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。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。 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。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。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 。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)。 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】 。 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。 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) 。 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。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。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。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 。 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 畫出重軌的三維模型（如圖 32），并以 IGES 格式保存文件“ zhonggui”。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。選擇自由度為 TEMP，并設(shè)置初始溫 度為 900，如圖 311 所示。 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 Temperatur