[精品](瞬态)热分析例题5

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1、热处理是保证制造业产品的内在质量，提高其使用性能和可靠性的重要环节。传统的热处理是一种依靠经验型技术实现的热处理，经验型的技术很难溶人以信息化为主导的先进制造技术之中。因此迫切需要将热处理改造为基于知识的热处理技术，从而减弱热处理信息化在制造业屮的瓶颈问题。对热处理过程的计算机模拟是保证热处理信息化的关键。金属切削刀具是制造业小最基本的生产要素，丝锥则属于金切刀具屮复杂刀具的一种，对其热处理过程的计算机模拟一旦有所突破，将会最终带动整个刀具制造行业，从而影响到整个制造业的热处理信息化进程。由于淬火过程直接影响到刀具的最终使用性能，而冃属于热处理过程中温度和应力变化最大的一个环节，组织变化复杂

2、，所以以此作为研究的依据。热处理过程还具有“瞬息万变”的特性，欲实时获取某II舜时、某特定冷却条件下的温度场、应力场分布情况，在现冇的测试手段、试验方法以及测试仪器下还显得难度较大。随着计算机软、硬件水平的提高，伴随着数值计算方法、计算传热学、热弹塑性理论、相变动力学、计算流体力学等学科的同步跟进，对于丝锥的淬火过程计算机模拟已成为可行、可靠的技术手段。1淬火过程计算机模拟的客观依据计算机模拟只是一种手段，其模拟结果的可靠程度要通过试验或现行热处理工艺进行检验。此处严格按照某工具厂M24丝锥淬火工艺规程进行：对于W9Mo3Cr4V材料制成的丝锥，加热过程采用在400°C>800°C>1200

3、°C三级加热，每个温度保温20min,然后以90S的时间用盐浴冷却的方式降至室温。2淬火过程计算机模拟的理论依据该问题属于瞬态热分析问题。与丝锥和接触的硝盐水溶液的温度和换热系数是已知的，所以该问题属丁第三类边界条件的问题。第三类边界条件是指与物体相接触的流体介质的温度"和换热系数a均为已知，这样物体与流体介质之间的换热量就为已知。用公式表示为-普

4、=a(T-7})lr(jn.IpMor其中：“和a可以是常数，也口J以是随时间和空间变化的函数。乂由于材料温度将在一个较大的温度区间变化，材料热性能随温度变化的非线性因索不能忽略，因此该问题属于比较复朵的瞬态非线性热分析问题。3丝锥模型的创建以及

5、有限元模型的导入3.1原始模型的建立精确建模是正确分析的前提。ANSYS软件在创建丝锥表面的螺纹、容屑槽等结构要素吋非常麻烦，甚至不可能。为此采用当前流行的三维实体造型软件Solidworks2006,按照GB967-83的标准精确建模，出此产生的实体能够保证足够的模拟精度。创建出的模型如图1所示。91M24&B实体樓塑图2M24丝锥有限元分析模型3.2ANSYS分析模型的建立在丝锥实际淬火过程中，出现的废品多缘于切削刃尖角处应力过大造成开裂。所以模拟时，关注的是含有螺纹部分的切削刃。为了抓主要矛盾，合理利用计算机资源，提高计算速度，所以选取切削刃部分1/2长度，同时截取径向的1/4进行分析

6、，截取的时候保证容屑槽的对称性，这样，可以将分析部位的网格划分的更细，既可以提高计算精度，又不至于使计算负荷过重，同时还能方便地利用ANSYS的后处理功能，从轴向、径向对于齐种场量的分布进行直观的观察判断。ANSYS模型如图2所示。4模拟过程中相关参数的设置在对温度场求解的过程屮，必要的热物性参数是导热系数、比热、对流换热系数、以及材料的密度。其中，因为密度随温度变化较小，模拟吋采用恒定值來近似，其余参数则根据热处理手册获取。根据需耍，对于起始和终止温度点处的热物性参数，使用0rigin7.5软件进行必要的插值后获取。在进行应力场分析的过程中，材料的弹性模量、泊松比以及线膨胀系数是必要参数。

7、泊松比随温度变化的影响较小，采用恒定值来处理。弹性模量和线膨胀系数则在已有值的基础上作插值补充。5ANSYS模拟实现过程5.1定义单元类型模拟时一次求解完成两种场的分析，所以必须采用耦合单元。这里采用了ScalarTet98耦合单元，该单元可以很好地用于曲面模型的模拟。5.2定义材料性能参数依次选择MainMenu^Proccssor-^MatcrialProps-^MctcrialModcls命令，出现DefineMaterialModelBe.havior对话框。在MaterialModelAvailable列表框中依次输入淬火温度区间需要的导热系数、弹性模量、泊松比、线膨胀系数、比热容

8、、密度等所有参数。如图3、4。图3淬火过程热导事值输入图4淬火过程弹性模量和泊松比输入模拟过程中，高温部分比热变化不大，取值480J/(kg-K),密度取值8250kg/m3.线膨胀系数在已有资料的基础上，使用origin7.5软件外插值后取值1・47x12。5.3加载求解(1)设置分析类型图5淬火过程时阔步长设置分析类型设置为Transient,为了完成瞬态分析，打开口动时间积分项。按图5进行时间步长的设置