20钢圆柱体水淬过程温度场模拟.docx

1、20钢圆柱体水淬过程温度场模拟摘要：20钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好，一般用于制造受力不大而韧性要求高的零件。利用ANSYS软件，创建几何模型、划分网格、加载求解等过程模拟20钢温度场的变化，得出20钢加热过程、冷却过程的温度场分布图；拾取20钢圆柱体具有代表的特殊点，得到20钢圆柱体整体温度随时间变化的曲线，分析了20钢热处理前后组织和力学的变化。结果表明，在加热与冷却过程时，圆柱体的圆形边上温度最先发生变化。关键词：20钢，有限元分析，热处理，温度场Process of 20 steel cylinder water quench tempe

2、rature field simulationAbstract:20 high-quality low-carbon steel is carbon steel, cold extrusion, carburizing hardened steel. The steel low intensity, toughness, ductility and weldability are good, generally used for manufacturing large discontinuity toughness demanding parts.By using ANSYS software

3、, through foundation processes such as creating a geometric model、division grid、load solution and so on to carries on the simulation to the 20 steel temperature field, it is concluded that 20 steel heating process, the distribution of temperature field in cooling process. Select specific points on 2

4、0 steel cylinder, Got a whole 20 steel cylinder temperature versus time curves were analyzed before and after the heat treatment of steel changes 20 organizations and mechanics. The results showed that, in the heating and cooling process, the temperature of the first side of the circular cylinder ch

5、ange.Keywords：20 steel，FEA，Heat treatment，temperature field，目录1 绪论11.1 设计研究的目的及意义11.2 国内外淬火模拟领域研究动态22 有限单元法概述42.1 有限元基本原理42.1.1 物体离散化42.1.2 单元特性分析42.1.3 单元组集52.1.4 求解未知节点位移52.2 ANSYS软件62.2.1 ANSYS简介62.2.2 ANSYS的发展62.2.3 ANSYS的功能63 数值模拟过程93.1 瞬态热分析的基本步骤93.1.1 建模93.1.2 施加载荷并计算93.1.3 后处理103.2 数值模拟的内容10

6、3.2.1 材料及参数的选择103.2.2 加热温度的选择113.2.3 建模123.2.2 加热过程求解153.2.3 水淬过程求解193.2.4 后处理204 结果与分析234.1 20钢圆柱体加热过程234.2 20钢圆柱体水淬过程285 展望32结论33参考文献34致谢351 绪论在材料科学研究中除基础理论研究以及试验研究外，计算机模拟计算研究已经成为解决材料科学中实际问题的第三种重要方法。数值模拟就是利用计算机程序求解数学模型的近似解，可以理解为用计算机进行实际试验。数值模拟用到的数值解法主要有差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法等。其中有限元法被人们广泛应用，在众多的有限元软件

7、中，ANSYS是融结构、热力学、流体电磁和声学等于一体的大型通用软件，其作为一个较完善的数值模拟通用软件已成功地应用于很多领域。通过ANSYS友好的用户界面，可以方便地构建有限元模型，在分析处理模块中，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力1。对20钢进行水淬温度场模拟，避免了只根据经验进行试验而造成的人力财力的浪费，因此对20钢水淬过程温度场模拟是很有价值的。1.1 设计研究的目的及意义1).钢铁材料虽不属高科技的先进材料，但因具有优良的力学性能、工艺性能和低的成本，使其在21世纪中仍将占有重要地位，其他种材料如高分子材料、陶瓷或复合材料可能会少量地代替金属材料，但钢铁材

8、料的应用不可能大幅度衰减2。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容3。2).通过对20钢的热处理，改变了20钢的金相组织。材料的性能取决于其内部结构，只有改变了材料内部结构才能达到改变或控制材料性能的目的，所以材料的制备和加工工艺常常对材料性能起着决定性作用4。3).对20钢进行淬火，使过冷奥氏体进行马氏体和贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求5。4).通过利用ANSYS软件对水淬过程温度场的进行了数值模拟，节点等值线图可以清晰

9、直观地反映水淬过程任意时刻，任意节点的温度场分布。数值模拟的结果符合生产实际并且运算速度较快。该方法明显优于传统的人工测量和经验判断方法。为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据 6。5).淬火过程中的温度场直接影响到金属及合金的热应力分布，而用实验的方法得到淬火冷却时整个零件的温度分布情况是十分困难的7。随着计算机技术的发展和数值计算的广泛应用，计算机模拟(或称数值模拟)得到了迅猛发展。淬火冷却过程的计算机模拟就是利用计算机求解各场量的数值解。这种数值模拟虽然不能直接给出组织分布，应力分布与工艺参数的函数关系，但是它能对工件的温度场、组织场和应力场进行耦合计算，给出每一瞬间的温度场、组

10、织场和应力场的分布，并且直接地观察到各场量在淬火过程中的变化情况8。1.2 国内外淬火模拟领域研究动态热处理过程是一个复杂的系统，目前的研究只能达到逼近有效和某种程度上的复制及预测。国外在热处理计算机仿真领域的研究起步较早，成果较多。F.M.B.Fenrnades等人建立了相当严密的数学模型并对钢淬火冷却过程中相变的数学计算进行了深入的探讨。B.Bucmhyar和J.S.Kiarldy也研究出了一套仿真低合金钢在淬火冷却过程中的温度场和相变行为的系统，其主要特点是温度场和微观组织分布的计算之间实现了循环修正(耦合)。Ji Woong Jang和In-Wook等对淬火变形进行了模拟预测。Tama

11、s Reti和Zoltna Fride等用多相转变模型模拟了钢的淬火过程。A.Ynaez、J.c.Alvarez等用大型通用商业有限元软件ANSYS对激光淬火过程的温度场分布进行了模拟。我国开展热处理数值模拟工作较晚。首先，是一些访问学者和留学生在国外留学时开展了这方面的研究。进入80年代后，国内一些大专院校和科研单位、企业才陆续开展这方面的工作。近10年来国内外学者在热处理计算机仿真领域进行了大量的研究。清华大学的刘庄、吴景之等对热处理数学模型进行了深入的探讨，出版了热处理过程的数值模拟一书。上海交大的潘健生、胡明娟等模拟了P20大锻件淬火的温度场、显微组织场及力学性能等，特点是考虑了相变潜

12、热、热物性参数的非线性对温度场的影响；此外还对界面突变的淬火过程进行了研究。大连理工大学的张立文等用有限元法对35CrMo大锻件淬火过程的瞬态温度场进行了计算研究。昆明理工大学的谢建斌和何天淳等研究过淬火时的过冷沸腾边界和相变的热传导问题。燕山大学的陈乃录、高长银等对水、油等淬火介质的动态冷却特性及换热系数进行了研究。这些成果都显著推动了我国在这一领域的研究进展，并对实际的生产应用产生了积极的影响。当前淬火过程数值模拟的研究主要可以分为经验公式计算和有限元法模拟两大类9。2 有限单元法概述2.1 有限元基本原理有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在

13、连续体力学领域如飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值计算方法，随后很快就广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限单元法分析计算的思路和作法可归结如下(这里主要以静力学分析为例)：2.1.1 物体离散化将某个工程结构离散为有各种单元组成的计算模型，这一步称作单元的剖分。离散后单元与单元之间利用节点相互连接起来，单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质、描述的变形形态和计算精度而定(一般情况,单元划分越细则描述问题情况越精确，即越接近实际，但计算量越大)。所以有限元法分析的对象已不是原有的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元以一定方式连接成的离散体。这样，用有限单元

14、分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况越相符合。2.1.2 单元特性分析（1）选择位移模式。在有限单元法中，位移模式有位移法、力法和混合法。其中，位移法应用范围最广，即选择节点位移作为基本未知量。当采用位移法时，物体或结构物离散之后，就可把单元中的一些物理量如位移、应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法将位移表示为坐标变量的简单函数。（2）分析单元的力学性质。根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步

15、。此时，需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。（3）计算等效节点力。物体离散后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。2.1.3 单元组集利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体有限元方程:Kq=f (2-1)式中，K是整体结构的刚度矩阵；q是节点位移列阵；f是载荷列阵。2.1.4 求解未知节点位移解有限元方程式(2-1)得出位移，这里可以根据方程组的具体特点来选定合适的计算方法。通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是“一分一合”，“分”是为了进行单元分析，“合”则为了对整体结构进行综合分析9。图2.1为一般有限元分析计算流程。2.2 ANSYS软件2.2.1 ANSYS简介ANSYS软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一