高压气体淬火过程的数值模拟

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1、摘要高压气淬过程的物理场包括气淬炉内的流场、气体和金属的温度场、金属的相变和组织、金属的内应力和应变。高压气淬过程的数值模拟就是模拟上面多场的耦合作用。对于流体和金属的传热传质过程模拟，用有限差分法或者有限体积法模拟比较成熟；金属的相变、内应力和应变计算，采用有限元法比较成熟。研究中采用了有限体积法软件FLUENT计算气体的流场，气体和金属的温度场，以及金属的相变过程；在FLUENT中调用有限元软件FEFG，用于计算金属内的应力和变形。由于FLUENT和FEPG采用了不同的网格系统，因此在调用FEPG前，需要由FLUENT计算的温度场用插值的方法计算出FEPG需要的温

2、度场。这就需要判断FLUENT网格和FEPG节点的位置关系，需要比较复杂的编程工作。而由于FLUENT只提供了C语言的二次开发接口，开发较大的程序比较困难，因此如果可能，有必要找出一种方法，使用户在VC++集成环境下用面向对象的方法来对FLUENT进行二次开发。FEPG是一个有限元程序生成器，生成FORTRAN语言的有限元程序。由于当前FORTRAN已经过时，且用FORTRAN开发大型程序比较困难，因此，有必要将FORTRAN程序转换成C++，在VC++环境下对FEPG进行二次开发。在VC++环境下编译动态库，只要用相应的宏通知编译器，编译器就能用C语言的格式编译函数

3、和变量，对于要调用的C语言库，也只要在头函数前加上相应的宏，编译器就能按C的接口格式调用函数。遵照这食原理，提出并编写了一个让用户方便在VC环境中用C++对FLUENT二次开发的工具。FORTRAN语言和C语言都包括变量和数组定义、数学计算、跳转语句、循环语句、文件操作等。对它们的语句进行对应转换，就能将FORTRAN有限元语句转换成C语句，让FLUENT等程序直接调用C版有限元程序。提出并编T写了～个将FEPG工程转换成C++工程的工具，用户可以方便的用C++对FEPG进行二次丌发。论文分析了流体的控制方程，其分别由质量守恒、动量守恒和能量守恒推导而来，分析了在湍流

4、状态下控制方程的表达形式，用有限体积法对公式的离散作了推导。用有限体积法软件FLUENT对高压气淬炉内的流场和温度场做了计算。计算的边界条件包括氮气进口的流速和温度、出口压力。计算中考虑了氮气和金属在不同压力或者温度条件下物性参数的变化。计算中考虑了金属内部的铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体相变，以及相变对温度场的影响。除马氏体相变外，其他相变的孕育期采用了累加法，所有相变量的计算采用了相应的Avrami公式。在每一计算时间步结束，金属内部温度场数据通过插补运算，得到FEPG结点的温度分布，用于后面的有限元计算。论文分析了固体的弹塑性模型。模型考虑了弹性应变、温度变化引

5、起的应变、相变引起的应变、塑性应变。用实例计算了H13模具在高压气淬过程中的变形。模拟和实测的结果相符合。研究实行了用有限元方法实现了换热系数反求法。用二维和三维的有限元法，可以考虑金属换热面对换热系数的影响。用计算的换热系数验证试件中心的换热系数，发现计算温度和实测温度相符。为了进行高压气淬的数值模拟，采用本研究项目的成果用Vc++对FLUENT和FEPG开发的工具，编写了大量的子程序和类，用于用样条曲线处理变化的物性参数、图表曲线的处理、处理FLUENT单元和FEPG结点信息的数据交换，以及弹塑性有限元应力和变形求解。关键词：高压气淬；数值模拟；有限元法；有限体积

6、法；换热系数IIAbstractABSTRACTPhysicialfieldsingasquenchingprocessesinclude3Dflowfieldsandpressurefieldofgas，temperaturefieldsofgasandquenchingdies，structuralchanging，innerresidualstressanddeformationofdies．FiniteDifferenceMethod(FDM)andFiniteVolumeMethod(FVM)arematuremethodsforcalculatingflo

7、wofgasandliquid，solidheatandmasstransfer．butformetalresidualstressanddeformationcalculation，thebetternumericialcomputationmethodisFiniteElementMethod(FEM)．FVMandcorrespondingsoftwareFLUENTwasusedtocalculateflowandheattransfer,andthephasechangeingasquenching，andFEMsoftwareFinite