带轮淬火过程的有限元分析

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1、有限元分析与建模期末论文题目：带轮淬火过程热瞬态分析电子科技大学机电学院王小军200921080167吴刚200921080168带轮淬火的瞬态热分析一、问题描述淬火就是将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。这里我们用有限元的方法分析带轮淬火过程过个部分的温度变化情况。在分析之前首先对带轮初始条件设置一下：（1）设带轮的初始温度为500摄氏度，将其突然放进温度为0℃的水中，使其完成淬火过程。水的对流系数为110W/(m2.℃)。（2）带轮的的零件结构示意图如图1所示（图中长度单位为mm），它的三维模型如图2所示。

2、图1带轮的结构示意图图2带轮的三维结构图（3）带轮材料的热性能参数如表1所示。表1带轮的材料热性能参数密度kg/m3导热系数W/(m*℃)比热J/(kg.℃)240070328二、问题的分析在进行有限元建模之前，首先对一下几个方面进行分析1、瞬态热分析瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似，瞬态热分析中使用的单元与稳态热分析相同，主要的区别是瞬态分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷－时间曲线分为载荷步。载荷－时

3、间曲线中的每一个拐点为一个载荷步。对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶跃。2、分析模型的选择建立有限元模型时需要考虑的因素很多，不同的问题所需要考虑的侧重点也不一样。但不论什么问题，建模时都应该考虑的两调基本原则：一是保证计算结果的精度，二是要适当控制模型规模。而精度和规模是一对相互矛盾的因素。往往精度非常高时，模型的规模又太大，在建模和分网等过程带来很多麻烦，同时求解也很困难；想要缩小模型的规模又达不到需要的计算精度。所以建模时应根据具体的分析对象、分析要求和分析条件权衡考虑。对带轮分析模型的建立，主要从以下三个方面分析：（1

4、）带轮的结构由上面给出带轮的结构示意图和三维结构图可以知道该带轮的几何形状是严格轴对称的，是相对对称轴的旋转体；（2）边界条件带轮在淬火过程中的边界条件是对称，带轮是整体的受热，对于以轴线的旋转体，温度在各个旋转角度的变化情况是相同的，而且在突然放进0℃的水中时，带轮的各个角度的部位受温度影响也是一样的；（3）材料带轮的材料是各向同性的，这种条件自然满足。基于以上的几点分析，我们在做有限元分析时没有必要对整个带轮进行分析，只需要对带轮的一部分做分析，就能得到满意的答案。因此，我们选用了整个带轮的1/16部分（即22.5°的角度）作为带轮的分析几何模型，如图3所示

5、。图3带轮热分析的几何模型3、求解的问题带轮的淬火过程是一个热瞬态分析过程，因此我们为了更好了分析出整个淬火过程中带轮整个的温度变化以及带轮各个部位的温度变化情况，我们需要求解以下两个问题：（1）在一分钟和五分钟后带轮的温度场分布情况（2）求出零件图上A、B、C、D、E各点温度在整个淬火过程中随时间的变化关系三、带轮瞬态热分析的求解过程1、单元类型和材料的定义单元类型是实体（solid），这里需要定义两个实体的单元类型:一个是brick8node70和brick20node90，如图4所示。图4单元类型的定义我们进行的是带轮的热瞬态分析，材料的定义只需要有与热传

6、导有影响的就行了。这里主要的材料就是带轮。前面表1给出了材料参数定义。分别设置好带轮材料的导热系数、比热和密度，如图5所示。图5材料的定义2、模型的创建带轮本身是一个立体的轴对称的实体模型，我们分析的是22.5°的模型。实体模型也相对较大，所以将实体模型缩小1000倍在ansys中进行建模。在建模时可以分三步：（1）建立带轮轴侧面的平面模型如图6。（2）以带轮的轴为中心，旋转22.5°。（3）选的轴侧面中间的圆槽可以先画一个圆柱，再通过Booleans实体减运算的到最后的分析模型。最后的到得分析模型如前面图3所示。图6带轮的侧面3、网格的划分网格的质量决定了计算

7、的结果精度和计算量的大小。在这里，因为对整个实体分网的网格数比较多，所以采用了低阶的三角线性网格，这样比较经济；在模型的中部，有个半圆柱的影响，棱角变化较明显，淬火过程中温度变化会比较快，所以在分网是将中间部分和两边分别分网：两边的网格边长为0.025，而中间部分的网格边长较小，设为0.02。最后分网的情况图7所示：图7分网情况4、建立边界条件并求解将实际工况量化为模型的边界条件是有限元建模的关键环节之一。边界条件是否符合实际，很大程度上决定了计算结果的精度。而热边界条件用于描述结构边界表面与外部的相互热作用规律。在热传导学中包括了温度边界条件、热流边界条件和传

8、热边界条件。这里热瞬态分