畢業(yè)論文---帶輪淬火過(guò)程的有限元分析

1、<p><b>　　有限元分析與建模</b></p><p><b>　　期末論文</b></p><p>　　題目： 帶輪淬火過(guò)程熱瞬態(tài)分析</p><p><b>　　電子科技大學(xué)</b></p><p><b>　　機(jī)電學(xué)院</b><

2、/p><p>　　帶輪淬火的瞬態(tài)熱分析</p><p><b>　　問(wèn)題描述</b></p><p>　　淬火就是將金屬工件加熱到某一適當(dāng)溫度并保持一段時(shí)間，隨即浸入淬冷介質(zhì)中快速冷卻的金屬熱處理工藝。這里我們用有限元的方法分析帶輪淬火過(guò)程過(guò)個(gè)部分的溫度變化情況。</p><p>　　在分析之前首先對(duì)帶輪初始條件設(shè)置一下：&

3、lt;/p><p>　　設(shè)帶輪的初始溫度為500攝氏度，將其突然放進(jìn)溫度為0℃的水中，使其完成淬火過(guò)程。水的對(duì)流系數(shù)為110W/(m2.℃)。</p><p>　　（2）帶輪的的零件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示（圖中長(zhǎng)度單位為mm），它的三維模型如圖2所示。</p><p>　　圖 1 帶輪的結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　圖 2 帶輪的三維結(jié)構(gòu)圖<

4、;/p><p>　　（3）帶輪材料的熱性能參數(shù)如表1所示。</p><p>　　表1 帶輪的材料熱性能參數(shù)</p><p><b>　　二、問(wèn)題的分析</b></p><p>　　在進(jìn)行有限元建模之前，首先對(duì)一下幾個(gè)方面進(jìn)行分析</p><p><b>　　瞬態(tài)熱分析</b>&l

5、t;/p><p>　　瞬態(tài)熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)的隨時(shí)間變化的溫度及其它熱參數(shù)。在工程上一般用瞬態(tài)熱分析計(jì)算溫度場(chǎng)，并將之作為熱載荷進(jìn)行應(yīng)力分析。</p><p>　　瞬態(tài)熱分析的基本步驟與穩(wěn)態(tài)熱分析類似，瞬態(tài)熱分析中使用的單元與穩(wěn)態(tài)熱分析相同，主要的區(qū)別是瞬態(tài)分析中的載荷是隨時(shí)間變化的。為了表達(dá)隨時(shí)間變化的載荷，首先必須將載荷－時(shí)間曲線分為載荷步。載荷－時(shí)間曲線中的每一個(gè)拐點(diǎn)為一個(gè)載荷步。對(duì)

6、于每一個(gè)載荷步，必須定義載荷值及時(shí)間值，同時(shí)必須選擇載荷步為漸變或階躍。</p><p><b>　　2、分析模型的選擇</b></p><p>　　建立有限元模型時(shí)需要考慮的因素很多，不同的問(wèn)題所需要考慮的側(cè)重點(diǎn)也不一樣。但不論什么問(wèn)題，建模時(shí)都應(yīng)該考慮的兩調(diào)基本原則：一是保證計(jì)算結(jié)果的精度，二是要適當(dāng)控制模型規(guī)模。而精度和規(guī)模是一對(duì)相互矛盾的因素。往往精度非常高時(shí)

7、，模型的規(guī)模又太大，在建模和分網(wǎng)等過(guò)程帶來(lái)很多麻煩，同時(shí)求解也很困難；想要縮小模型的規(guī)模又達(dá)不到需要的計(jì)算精度。所以建模時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的分析對(duì)象、分析要求和分析條件權(quán)衡考慮。對(duì)帶輪分析模型的建立，主要從以下三個(gè)方面分析：</p><p><b>　?。?）帶輪的結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　由上面給出帶輪的結(jié)構(gòu)示意圖和三維結(jié)構(gòu)圖可以知道該帶輪的幾何形狀是嚴(yán)格軸對(duì)稱的

8、，是相對(duì)對(duì)稱軸的旋轉(zhuǎn)體；</p><p><b>　?。?）邊界條件</b></p><p>　　帶輪在淬火過(guò)程中的邊界條件是對(duì)稱，帶輪是整體的受熱，對(duì)于以軸線的旋轉(zhuǎn)體，溫度在各個(gè)旋轉(zhuǎn)角度的變化情況是相同的，而且在突然放進(jìn)0℃的水中時(shí)，帶輪的各個(gè)角度的部位受溫度影響也是一樣的；</p><p><b>　?。?）材料</b>

9、;</p><p>　　帶輪的材料是各向同性的，這種條件自然滿足。</p><p>　　基于以上的幾點(diǎn)分析，我們?cè)谧鲇邢拊治鰰r(shí)沒(méi)有必要對(duì)整個(gè)帶輪進(jìn)行分析，只需要對(duì)帶輪的一部分做分析，就能得到滿意的答案。因此，我們選用了整個(gè)帶輪的1/16部分（即22.5°的角度）作為帶輪的分析幾何模型，如圖3所示。</p><p>　　圖3 帶輪熱分析的幾何模型<

10、/p><p><b>　　3、求解的問(wèn)題</b></p><p>　　帶輪的淬火過(guò)程是一個(gè)熱瞬態(tài)分析過(guò)程，因此我們?yōu)榱烁昧朔治龀稣麄€(gè)淬火過(guò)程中帶輪整個(gè)的溫度變化以及帶輪各個(gè)部位的溫度變化情況，我們需要求解以下兩個(gè)問(wèn)題：</p><p>　　（1）在一分鐘和五分鐘后帶輪的溫度場(chǎng)分布情況</p><p>　?。?）求出零件圖上

11、A、B、C、D、E各點(diǎn)溫度在整個(gè)淬火過(guò)程中隨時(shí)間的變化關(guān)系</p><p>　　三、帶輪瞬態(tài)熱分析的求解過(guò)程</p><p>　　1、單元類型和材料的定義</p><p>　　單元類型是實(shí)體（solid），這里需要定義兩個(gè)實(shí)體的單元類型:一個(gè)是brick 8node 70和brick 20node 90，如圖4所示。</p><p>　　圖

12、4 單元類型的定義</p><p>　　我們進(jìn)行的是帶輪的熱瞬態(tài)分析，材料的定義只需要有與熱傳導(dǎo)有影響的就行了。這里主要的材料就是帶輪。前面表1給出了材料參數(shù)定義。分別設(shè)置好帶輪材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和密度，如圖5所示。</p><p><b>　　圖5 材料的定義</b></p><p><b>　　2、模型的創(chuàng)建</b>

13、</p><p>　　帶輪本身是一個(gè)立體的軸對(duì)稱的實(shí)體模型，我們分析的是22.5°的模型。實(shí)體模型也相對(duì)較大，所以將實(shí)體模型縮小1000倍在ansys中進(jìn)行建模。在建模時(shí)可以分三步：（1）建立帶輪軸側(cè)面的平面模型如圖6。（2）以帶輪的軸為中心，旋轉(zhuǎn)22.5°。（3）選的軸側(cè)面中間的圓槽可以先畫(huà)一個(gè)圓柱，再通過(guò)Booleans實(shí)體減運(yùn)算的到最后的分析模型。最后的到得分析模型如前面圖3所示。<

14、;/p><p><b>　　圖6 帶輪的側(cè)面</b></p><p><b>　　3、網(wǎng)格的劃分</b></p><p>　　網(wǎng)格的質(zhì)量決定了計(jì)算的結(jié)果精度和計(jì)算量的大小。</p><p>　　在這里，因?yàn)閷?duì)整個(gè)實(shí)體分網(wǎng)的網(wǎng)格數(shù)比較多，所以采用了低階的三角線性網(wǎng)格，這樣比較經(jīng)濟(jì)；在模型的中部，有個(gè)半圓柱

15、的影響，棱角變化較明顯，淬火過(guò)程中溫度變化會(huì)比較快，所以在分網(wǎng)是將中間部分和兩邊分別分網(wǎng)：兩邊的網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.025，而中間部分的網(wǎng)格邊長(zhǎng)較小，設(shè)為0.02。最后分網(wǎng)的情況圖7所示：</p><p><b>　　圖 7 分網(wǎng)情況</b></p><p>　　4、建立邊界條件并求解</p><p>　　將實(shí)際工況量化為模型的邊界條件是有限元建模的

16、關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。邊界條件是否符合實(shí)際，很大程度上決定了計(jì)算結(jié)果的精度。</p><p>　　而熱邊界條件用于描述結(jié)構(gòu)邊界表面與外部的相互熱作用規(guī)律。在熱傳導(dǎo)學(xué)中包括了溫度邊界條件、熱流邊界條件和傳熱邊界條件。這里熱瞬態(tài)分析，帶輪的初始溫度為500℃，因此所有的結(jié)點(diǎn)初始溫度為500℃。水的對(duì)流系數(shù)為110W/(m2.℃)。水的溫度為0℃。</p><p>　　設(shè)定好邊界條件后，還應(yīng)該控制分析的

17、時(shí)間，不能一直計(jì)算下去。我們研究的是5分鐘以內(nèi)的帶輪對(duì)火過(guò)程的熱瞬態(tài)分析。所以設(shè)置“time control”為300秒。</p><p>　　邊界條件都設(shè)置好了以后，通過(guò)求解命令對(duì)建立的模型進(jìn)行有限元求解。</p><p><b>　　5、查看求解結(jié)果</b></p><p>　?。?）1分鐘時(shí)和5分鐘時(shí)的溫度場(chǎng)分布，分別如圖8和圖9所示：&

18、lt;/p><p>　　圖8 1分鐘時(shí)溫度場(chǎng)</p><p>　　圖9 5分鐘時(shí)的溫度場(chǎng)分布</p><p>　?。?）零件圖上A、B、C、D、E各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。分別如圖10、圖11、圖12、圖13、圖14所示。</p><p>　　圖10 A點(diǎn)溫度變化情況</p><p>　　圖11 B點(diǎn)的溫度變化情況

19、</p><p>　　圖12 C點(diǎn)的溫度變化情況</p><p>　　圖13 D點(diǎn)的溫度變化情況</p><p>　　圖14 E點(diǎn)的溫度變化情況</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)結(jié)論</b></p><p>　　在帶輪淬火過(guò)程中：(1)帶輪的兩端的溫度變化較快，溫度很快就降下來(lái)了，最低溫度也出