有限元分析报告.doc

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1、南京理工大学机械工程学院研究生研究型课程考试答卷课程名称：计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering）考试形式：□专题研究报告□论文√大作业(Project)□综合考试学生姓名(name)：李日和学号(IDnumber)：114101000072序号分项类别得分(grade)1CAE在你研究领域应用综述(TheapplicationsofCAEinyourresearcharea)2实例描述CAE解决问题的过程(ACAEanalysisdonebyyourself)：问题描述(Problemdescription)CAE模型(FEAmodelandbound

2、aryconditions)求解过程(Theprocess)结果与讨论(ResultsandAnalysis)结论(Conclusion)3收获及感想(suggestionandacknowledgement)4课堂报告(PPT)(Presentation)5回答问题(answerquestions)总分(Total)评阅人：时间：2015年6月16日iv1.1背景及意义随着科技水平的飞速发展以及工业生产的发展，对制造水平提出了更高的要求。航空航天事业的发展，对难加工材料的需求也是越来越大。特别是金刚石材料的应用，在这个超精密加工的时代有着无可替代的位置。中国是有色金属资源的大国

3、，而金刚石工具在有色金属的加工应用中，也有着出色的适应性。在耐磨材料的加工中金刚石工具也起着举足轻重的作用。目前，实际生产中使用的金刚石成型砂轮一般采用单层电镀工艺来制作，镀层金属只是机械性地包埋金刚石磨粒，与镀层金属和基体之间并没有形成牢固的化学结合，因此镀层金属对磨粒的把持力小，当工作负荷较大时，砂轮工具容易由磨粒脱落或着镀层金属成片剥落而导致整体失效。如要增加磨粒与镀层金属的结合力，只有增加镀层金属的厚度，其结果是导致容屑空间和磨粒出露高度的减小，金刚石砂轮容易发生堵塞，砂轮的散热效果变差，由于温度上升工件表面容易发生烧伤。在单层钎焊超硬磨料砂轮时，在磨料、钎料与母材的界面

4、上发生溶解、扩散、化合之类的相互作用，从本质上改善了磨料、钎料、基体三者之间的结合强度。用钎焊的方法制造的单层金刚石工具，因为钎焊合金与金刚石磨粒有着牢固的化学结合，金刚石露出的高度大，相比于电镀金刚石工具，这种金刚石工具具有磨削效率高、工具寿命长等特点。而且，目前钎焊多采用感应加热的方式。感应加热是一种非接触的加热方式，因此，在感应钎焊过程中不容易掺入其他杂质，影响钎焊效果；感应钎焊采用的是涡流进行加热的方式，因为在感应频率非常高，因此加热速度快，且能选择性地进行感应加热；感应加热是通过电磁感应，让工件自己加热，是由内向外的加热方式，效率高，能耗小；感应加热设备简单成本低，温度

5、容易控制，因此，容易实现自动化加热。2.1问题描述与仿真目的在进行感应钎焊金刚石砂轮时，温度均匀及温度控制是钎焊是否成功的重要条件。温度不均导致钎料分布不均；温度过高钎料流动性太强，无法定形，且有可能损害基体使基体失效；温度过低钎料与基体无法发生冶金反应。但是在感应钎焊加热过程中，温度的大小可以得到很好的控制，本次仿真不考虑该问题对感应钎焊的影响。由于在感应加热过程中存在着集肤效应、圆环效应和邻近效应，对不同表面的加热效果是不均匀的，这对焊接金刚石颗粒会造成致命的损害。通过仿真得出不同形状的感应线圈与加热条件对工件表面温度分布的影响，从而得到一组优化的实验参数，并通过实验进行验证

6、仿真结果。112.2有限元仿真计算原理感应加热是由外部给与交变电流从而在导体中产生感应电流对被加热工件进行加热的，随着工件温度的升高，必然导致工件材料的导电、电磁特性发生变化。因此，感应加热的过程其实就是空间磁场与空间温度场相互作用的过程。在感应加热过程中，电磁场的分布可以用麦克斯韦方程组来描述：(2-1)式中，——电场强度矢量；——磁场强度矢量；——电位矢量；——传导电流矢量；——磁通密度矢量；——电荷的体积密度。温度随着时间不停变化的，是一个瞬态温度场，计算分析需要求解的温度场方程为：(2-2)式中，——内热源的强度；——体积比热容；——导热系数。在有限元仿真计算中，可以把感

7、应加热看成是稳态的交流电磁场与瞬态的温度场相互耦合作用。在稳态的交流电磁场分析模块里，根据给定的及几何模型、物理属性和边界条件，进行求解钢基体内部的感应涡流，并将这涡流产生的焦耳热作为热源加载到瞬态热分析模块中去。在该模块中，根据模型的热导率λ11，比热容Cv等热力学属性与周围环境温度，模型表面对流换热系数以及热辐射系数等边界条件求解模型表面的温度场，如图2.2.1所示：图2.2.1仿真计算多场耦合原理图本课题采用法国Cedrat公司Flux有限元仿真软件对电磁热进行耦合分析计算