2003年3月重庆大学学报Mar.2003 第26卷第3期Journal of Chongqing University Vol.26 No.3
文献编号:1000-582(2003)03-0082-03
赖 宏，刘天模
(重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044)
摘 要:ansys有限元软件在温度场的模拟过程中，很好地结合了材料变温过程材料热物性参数的变化，特别适用于钢件淬火过程温度场的准确计算。通过利用ansys有限元分析软件对几何外形复杂的45钢零件淬火过程温度场进行有限元模拟，得到了零件温度随淬火时间的分布关系。模拟结果与实际过程一致，且运算速度较快，适用于淬火液的选取及淬火工艺的优化，并为精确计算淬火过程中的热应力、残余应力做好了准备工作。 关键词：淬火；温度场；有限元;ansys模拟；非线性热物性参数
中图分类号:TG156.34文献标识码:A
秋收起义的意义
在淬火冷却过程中，因为零件内部温度分布不均匀，组织转变过程的不均匀而形成热应力和相变应力，这些应力的存在将直接影响零件的组织性能和使用寿命。如果热处理不当，将会造成零件组织性能达不到预定要求，甚至会产生过量变形或开裂而报废。生产实践表明，淬火冷却过程是热处理工艺中返修率最高和废品率最高的工序，是热处理质量控制中最难掌握的环节。要评估淬火件的组织转变情况及淬火残余应力，必须确定淬火冷却过程零件材料内部的温度随时间的分布规律。因而淬火过程温度场的确定是优化热处理工艺、提高零件内在质量的主要依据。
淬火过程温度分布的传统分析方法是实验测定和经验判断。由于淬火是一个相当复杂的过程，受多种因素影响，而各影响因素之间又相互作用、相互制约。因此传统的方法不能完整、全面、准确地分析和预测淬火过程的温度场[1]。
计算机模拟(仿真)可将热处理过程的物理现象和零件的几何造型有机地结合起来，实现动态的、逼真的模拟，因此用这一技术分析和研究淬火过程已受到高度重视。对于外形规则、对称的零件如轴、板等，现已有多种方法计算其温度场[2]。但对于外形过于复杂的零件，若从编制程序、调试、改进到应用过程完全靠几个工程技术人员手工完成，则由于问题的复杂性，不仅要耗费大量的人力和时间，而且很难保证完全排除程序中出现的人为错误，使之留下隐患。ANSYS不仅解决了这些问题，而且可以更真实的描述零件的几何形状和定解条件，特别是它还能成功地处理一些非线性初边值问题，通过友好的用户接口，可很容易获得钢件淬火过程动态图、温降历程、温度分布，因而特别适合复杂零件淬
火过程温度场的动态模拟[3]。
缅甸荡寇志1 淬火冷却过程数学模型
1.1淬火过程热传导方程
对一个三维形状的零件，其热传导方程为
ρc=
5T
5t=
5
5x(λ
5T
5x)+
kkman5
5y(λ
5T
5y)+表贴式永磁同步电机
5
5z(λ
5T
5z)
(1) 其中,ρ、c和λ分别表示材料的密度、比热容和热传导系数。对于淬火过程来说，比容和热传导系数与材料淬火过程的温度有关。
1.2 对流边界条件
零件进行淬火时，认为边界条件为对流换热边界条件[4]:
-λ
5T
5nτ=h(T s-T q)(2) 其中h和τ分别表示表面换热系数和换热边界, T s为零件表面温度,T q为淬火界质温度。
Ξ收稿日期:2002-11-04
作者简介：赖宏(1976-)，男，四川内江人，重庆大学硕士研究生。主要从事材料强韧化，材料表面强化方向研究。
澳大利亚电影糖果2 45号钢非线性热物性参数
计算表明，当未考虑材料物性参数的非线性性质时，淬火冷却过程温度分布与实测值有相当的误差[5]。由于热物性参数是温度和相变组织成分的函数，而淬火
过程温度跨度大，组织变化程度大，因而将各热物性参数看作恒量显然是不合理的。因而比热容、热导率必需看成是温度的函数。由手册[5]查得45号钢的比热容、热导率与温度变化关系如表1所示。淬火液为水时,45钢的换热系数随温度变化关系如表2所示。
表1
45号钢的比热容热导率与温度关系T /℃
1002003004005006007007558009001000C p /(J/kg ・℃
)4804985245606157008541064806637602λ/(W/W ・℃
)43.53
40.44
38.13
36.02
34.16
31.98
28.66
25.14
26.49
25.92
24.02
表2
45号钢换热系数与温度关系T /℃
50100200300350400500600700800h /(W/m 2・℃
)2000
3800
6000
13500
14000
12500
7000
4200
1500
500
3 ansys 模拟淬火过程温度场实例分析
图1所示为某一零件截面图，材质为45号钢，将
其加热到850℃保温，使其充分奥氏体化后，在0℃水中淬火，考察其淬火过程温度场分布。
图1 淬火零件截面图(单位:cm )
311 前处理(processor )阶段
1)建模。根据图1所示淬火零件截面图，利用an 2sys 软件自带的三维实体建模工具构建淬火零件的三
维实体模型。在建模过程中，以cm 为单位。
2)网格划分。由于是三维实体模型，因而选用8节点solid70单元进行网格划分。对局部感兴趣的点，可以用更小的单元进行网格划分。
3)定义材料热物性参数。45钢的密度与温度变化关系不是很大，按常数处理，对最后结果影响不大。这里，由手册[5]取为7833kg/m 3。对比热容、热导率、换热系数等这些温度影响较大的热物性参数，必须根据表1、表2数据进行输入，以确保计算结果的准确性。3.2 求解(solution)阶段
设定淬火过程对流边界条件及初值条件。45钢
淬火过程为非线性瞬态过程，对该过程,
着重研究其淬
火50s 内温度场的分布规律。对该过程，打开自动时间步长，并设定number of substeps 为100。3.3 求解结果与分析由设定的求解条件可以得到淬火过程50s 内零件各部分的温度场分布，并可模拟温度场随时间的动图2 不同时刻的温度场
态变化过程。图2所示为零件表面及心部在淬火0.5s 、25s 、50s 时的温度场的分布。从图中可以看出，在淬火0.5s 时，表面温度迅速降低，而心部温度
3
8第26卷第3期 赖 宏等: 45钢零件淬火过程温度场的ansys 模拟
仍然维持高温，因而表面淬透性很大，这与实际情况相
符合。随着淬火时间的延长，表面温度持续下降，但是温度降低速率显着下降。内部温度相应降低，降低速率比表面稍高。分别对图1所示A 、B 、C 、D 、E 结点进行研究，考察其温度随时间变化情况，如图2所示。D 点由于处于轮轴外边缘交线上，因而在刚一淬火时，温度下降极为迅速。而B 由于处在轮缘交线上，由于内部热源的补充使其温降速度下降。同样的道理,A 点与C 点的温度时间关系也存在较大的差别
。
图3 各点温度随淬火时间的关系对于其感兴趣的点，可利用该方法求出其在任何淬火
时它任何刻的准确温度值。
4 结 论
对于几何外形复杂的零件，应用ansys 求解其淬火过程温度场，计算速度较快，并且计算结果可靠。
对于热物性参数为非线性的材料，特别适合利用ansys 进行求解分析。
利用ansys 进行淬火过程温度场分析，可以为淬火过程热应力，残余应力的计算准备温度条件。参考文献:
[1] 马仙.淬火过程数值模拟研究进展[J ].兵器材料科学与
工程,1999,(3)59-63.
[2] 陶文铨.数值传热学[M ].西安：西安交通大学出版社.
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[3] 王国强.实用工程数值模拟技术及其在ansys 上的实践
[M ].西安：西北工业大学出版社.19991
央视网评星巴克事件[4] 殷雯，雷宏.对称钢件淬火过程温度场分布的数值模拟
[J ].集美大学学报,1998,3(4):55-59.
[5] 谭真，郭广文.工程合金热物性[M ].北京：冶金工业出
版社.1994.
[6] 程赫明，王洪纲.圆柱体45钢淬火过程热传导方程逆问
题的求解[J ].昆明理工大学学报,1996,6:54-58.
T emperature Filed Ansys Simulation in Q uenching
Process of 45T eel Part
LAI H ong ,LI U Tian 2mo
(College of Material Science and Engineering ,Chongqing University ,Chongqing 400044,China )
Abstract :Nonlinear thermophysics parameters are considered in ansys finite element software ,so it can be used to compute temperature in the quenching.The temperature field in quenching process of 45steel part is simulated by ansys finite element software ,and the relationship between temperatu
re of part and quenching time is obtained.Sim 2ulation result is correspondent with real process ,this method has quick computing speed ,and it can optimize quench 2ing technology and select quenching bath.The most of all ,this method can supply the temperature condition in com 2putation of thermal stress and residual stress of quenching process.
K ey w ords :quenching ;temperature field ;finite element ;ansys simulation ;nonlinear thermophysics parameters
(责任编辑 陈移峰)
48重庆大学学报 2003年
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