機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)-t8鋼圓柱體油淬過程溫度場(chǎng)模擬

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　T8鋼圓柱體油淬過程溫度場(chǎng)模擬</p><p>　　T8鋼圓柱體油淬過程溫度場(chǎng)模擬</p><p>　　摘要：鋼作為一重要的工程材料，按化學(xué)成分可以分為碳素鋼，合金鋼兩類。T8

2、鋼屬于碳素工具鋼，淬硬型塑料模具用鋼。淬火回火后有較高硬度和耐磨性，但熱硬性低、淬透性差、易變形、塑性及強(qiáng)度較低。用作需要具有較高硬度和耐磨性的各種工具，如形狀簡(jiǎn)單的模子和沖頭、切削金屬的刀具、打眼工具、木工用的銑刀、埋頭鉆、斧、鑿、縱向手用鋸、以及鉗工裝配工具、鉚釘沖模等工具[1]。淬火是實(shí)現(xiàn)工件組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個(gè)重要手段，也是機(jī)械行業(yè)的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)技術(shù)，它對(duì)于提高和控制材料的性能，充分發(fā)揮材料的性能潛力，節(jié)省原材料，減少能耗，提高產(chǎn)

3、品的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命，并提高生產(chǎn)單位的經(jīng)濟(jì)效益等都具有十分重要的意義。研究T8鋼就是要讓其將自己的最大性能發(fā)揮出來，為人們的日常生活中，工作中發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，使人類生活更加完善。</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，淬火過程的計(jì)算機(jī)模擬越來越受到人們的重視，已成為當(dāng)今淬火過程研究和淬火工藝設(shè)計(jì)中必不可少的重要方法。熱處理過程計(jì)算機(jī)模擬具有速度快、效率高、結(jié)果形象逼真、能綜合全面反映熱處理過程中各種變化

4、規(guī)律的特點(diǎn)。與試驗(yàn)研究相結(jié)合，可以極大地拓展實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提供的信息，完成試驗(yàn)研究很難做到甚至不能做到的工作。國(guó)內(nèi)的許多專家和學(xué)者運(yùn)用CAE軟件如MARc、ANSYS等對(duì)現(xiàn)實(shí)中熱處理過程進(jìn)行了模擬，而且取得了一系列令人滿意的成果，并將模擬的結(jié)果指導(dǎo)于生產(chǎn)實(shí)踐之中[2]。</p><p>　　我們通過了解T8鋼的基本結(jié)構(gòu)，基本性能以及淬火工藝，根據(jù)學(xué)習(xí)了解Ansys軟件，了解Ansys軟件的操作，假設(shè)模擬出T8鋼圓柱體油

5、淬過程的溫度場(chǎng)模擬，從而更深層次的了解T8鋼的性能，讓它更好的投入到人類生產(chǎn)中去。</p><p>　　關(guān)鍵詞：T8鋼，Ansys模擬，溫度場(chǎng)，熱處理 </p><p>　　T8 steel cylinder oil quenching temperature field simulation </p><p>　　Abstract: Steel as an imp

6、ortant engineering material, according to the chemical composition can be divided into carbon steel, alloy steel. Type belongs to carbon tool steel T8 steel, hardened plastic mold steel. Heat quenching tempering has high

7、er hardness and wear resistance, but low hardness, low hardenability and low, easy to deformation, plasticity and strength. Used as a need to have high hardness and wear resistance of various tools, such as shape simple

8、mould and punch, cutting of metal c</p><p>　　With the rapid development of computer technology, computer simulation of quenching process of more and more get people's attention, has become a current rese

9、arch on quenching process and the essential important method in the design of quenching process. Computer simulation of heat treatment process with high speed, high efficiency, the image is clear and comprehensive reflec

10、tion of the characteristics of various change law in the process of heat treatment. Combined with experimental study, can </p><p>　　We through understanding the basic structure of T8 steel, basic performance

11、 and the quenching process, according to the understanding of Ansys software, understand the operation of the Ansys software, assuming that simulate the temperature field of T8 steel cylinder oil quenching process simula

12、tion, thus a deeper understanding of T8 steel performance, to make it better into the human production. </p><p>　　keywords : T8 steel, Ansys, The temperature field，Heat treatment </p><p><b&g

13、t;　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　2 T8鋼的基本結(jié)構(gòu)和淬火工藝基礎(chǔ)2</p><p>　　2.1 T8鋼的基本結(jié)構(gòu)2</p><p>　　2.2 淬火工藝基礎(chǔ)2</p><p>　　2.3 淬火后組織分

14、析6</p><p>　　2.3.1 馬氏體6</p><p>　　2.3.2 貝氏體7</p><p>　　3 ANSYS10.0熱分析8</p><p>　　3.1 ANSYS軟件介紹8</p><p>　　3.2 熱分析的目的8</p><p>　　3.3 熱分析的

15、基本理論8</p><p>　　3.3.1 基本符號(hào)與單位8</p><p>　　3.3.2 熱傳遞的方式10</p><p>　　3.3.3 熱力學(xué)第一定律10</p><p>　　3.3.4 熱傳導(dǎo)控制微分方程11</p><p>　　3.4 ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析11</p>&

16、lt;p>　　3.4.1 熱載荷和邊界條件的類型11</p><p>　　3.4.2 穩(wěn)態(tài)熱分析基本步驟13</p><p>　　3.5 ANSYS瞬態(tài)分析14</p><p>　　3.5.1 瞬態(tài)熱分析特性14</p><p>　　3.5.2 時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置15</p><p>　　4 T8

17、鋼圓柱體熱分析16</p><p>　　4.1 問題描述16</p><p>　　4.2 求解步驟18</p><p><b>　　結(jié)果與分析25</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　致 謝31<

18、;/b></p><p><b>　　附件32</b></p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　計(jì)算機(jī)模擬淬火過程在生產(chǎn)產(chǎn)品和分析產(chǎn)品性質(zhì)上日益突出其優(yōu)。人們普遍使用計(jì)算機(jī)有限元法來計(jì)算某些極其復(fù)雜的產(chǎn)品的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)方面的問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多有限元分析軟件得到普及，其中最

19、普遍的anasys準(zhǔn)確性較高，實(shí)用性較強(qiáng)，得到很多方面的使用[3]。本文通過綜合考慮材料熱物性參數(shù)、界面換熱系數(shù)隨溫度的非線性變化對(duì)溫度場(chǎng)的影響，對(duì)T8鋼淬火過程三維溫度場(chǎng)變化進(jìn)行了模擬計(jì)算。</p><p>　　利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的強(qiáng)大計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力以及對(duì)圖形的解讀能力，在對(duì)一些工程和某些產(chǎn)品零件的分析上取得理想的成果和效益。它是以計(jì)算機(jī)及其系統(tǒng)軟件作為基礎(chǔ)，包括方案設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元設(shè)計(jì)、仿真模擬及產(chǎn)

20、品數(shù)據(jù)管理等內(nèi)容。CAD技術(shù)的應(yīng)用很廣，其設(shè)計(jì)包括：機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、機(jī)械分析等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)成果及社會(huì)效益，有著廣泛的應(yīng)用空間[4]。Ansys軟件是融結(jié)構(gòu)，流體，電磁場(chǎng)，聲場(chǎng)，耦合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。軟件主要包括：前處理模塊，分析計(jì)算模塊，后處理模塊。分析計(jì)算模塊主要是結(jié)構(gòu)分析，流體動(dòng)力學(xué)，電磁場(chǎng)分析，聲場(chǎng)分析，壓電分析，模擬多種物理介質(zhì)的相互作用[5]。利用數(shù)值模擬符合生產(chǎn)實(shí)際且運(yùn)算速度快，節(jié)省生產(chǎn)的試

21、驗(yàn)成本，優(yōu)于傳統(tǒng)的人工測(cè)量和經(jīng)驗(yàn)判斷的方法。有限元分析的主要目的是檢查結(jié)構(gòu)或構(gòu)件對(duì)一定載荷條件的響應(yīng)。因此，在分析中指定合適的載荷條件是關(guān)鍵的一步。在ANSYS程序中，可以用各種方式對(duì)模型加載，而且借助于載荷步選項(xiàng)，可以控制在求解中載荷如何使用。</p><p>　　2 T8鋼的基本結(jié)構(gòu)和淬火工藝基礎(chǔ)</p><p>　　2.1 T8鋼的基本結(jié)構(gòu)</p><p>

22、;　　鋼鐵是以鐵和碳為主要組成元素的合金材料。鋼鐵材料是工業(yè)中應(yīng)用最廣、用量最多的金屬，其品種繁多、性能各異。</p><p>　　T8鋼是淬硬型塑料模具用鋼。淬火回火后有較高硬度和耐磨性，但熱硬性低、淬透性差、易變形及強(qiáng)度較低。用作需要具有較高硬度和耐磨性的各種工具，比如形狀簡(jiǎn)單的模子和沖頭、切削金屬的刀具、打眼工具、木工用的銑刀、埋頭鉆、斧、鑿、縱向手用鋸、以及鉗工裝配工具、鉚釘沖模等次要工具[6]。<

23、/p><p><b>　　化學(xué)成份：[7] </b></p><p><b>　　T8碳素工具鋼</b></p><p>　　碳 C ：0.75～0.84 </p><p>　　硅 Si：≤0.35 </p><p>　　錳 Mn：≤0.40 </p><p&

24、gt;　　硫 S ：≤0.030 </p><p>　　磷 P ：≤0.035 </p><p>　　鉻 Cr：允許殘余含量≤0.25、≤0.10(制造鉛浴淬火鋼絲時(shí)) </p><p>　　鎳 Ni：允許殘余含量≤0.20、≤0.12(制造鉛浴淬火鋼絲時(shí)) </p><p>　　銅 Cu：允許殘余含量≤0.30、≤0.20(制造鉛浴淬火鋼絲

25、時(shí)) </p><p>　　注：允許殘余含量Cr+Ni+Cu≤0.40(制造鉛浴淬火鋼絲時(shí))</p><p>　　2.2 淬火工藝基礎(chǔ)</p><p>　　鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上某一溫度保溫一段時(shí)間后使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫度）進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處

26、理工藝。</p><p>　　在通常情況下淬火的溫度，亞共析鋼的淬火溫度為Ac3以上30℃-50℃；過共析鋼和共析鋼的淬火溫度在Ac1以上30℃-50℃。加熱時(shí)間有兩個(gè)步驟，一是升溫二是保溫。通常情況下以裝爐后的溫度達(dá)到淬火溫度所需要的時(shí)間為升溫階段，并以此作為保溫時(shí)間的開始，保溫階段是鋼件溫度均勻并完成奧氏體化所需要的時(shí)間[8]。</p><p>　　淬火冷卻介質(zhì)的選擇，通常使用的淬火冷

27、卻介質(zhì)是水和油。水在650℃-550℃范圍冷卻能力較大，在300℃-200℃范圍冷卻能力也較大。因此易造成零件的變形和開裂，這是它的最大缺點(diǎn)。提高水溫能降低650℃-550℃范圍的冷卻能力，但對(duì)300℃-200℃的冷卻能力沒有影響[9]。這不利于淬硬，也不能避免變形，所以淬火用溫度控制在30℃以下。水在生產(chǎn)中主要用于形狀簡(jiǎn)單、截面較大的碳鋼零件的淬火。</p><p>　　工業(yè)淬火通常包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)階段

28、，每個(gè)階段都有自己的工藝參數(shù)：淬火的加熱參數(shù)、淬火的保溫時(shí)間、淬火冷卻。</p><p><b>　　加熱和保溫</b></p><p><b>　　油淬和水淬</b></p><p><b>　　零件清洗</b></p><p>　?。?）淬火的加熱參數(shù)</p>

29、<p>　　淬火加熱時(shí)要形成細(xì)小、均勻奧氏體晶粒，淬火后獲得細(xì)小馬氏體組織。亞共析鋼加熱溫度為Ac3溫度以上30~50℃；過共析鋼淬火溫度為Ac1溫度以上30~50℃，這溫度范圍處于奧氏體與滲碳體（A+C）雙向區(qū)，因?yàn)檫^共析鋼的正常淬火仍屬不完全淬火，淬火后得到馬氏體基本上分布滲碳體的組織，這組織狀態(tài)具有高硬度和高耐磨性。下表2.1是碳素鋼的淬火加熱溫度范圍[10]。</p><p>　　表2.1 淬

30、火溫度范圍</p><p>　?。?）淬火的保溫時(shí)間</p><p>　　淬火保溫時(shí)間由設(shè)備的加熱方式、零件尺寸、鋼的成分、裝爐量和設(shè)備功率等多種因素確定。對(duì)整體淬火而言，保溫的目的是使工件內(nèi)部溫度均勻趨于一致。對(duì)各類淬火，其保溫時(shí)間最終取決于在要求淬火的區(qū)域獲得良好的淬火加熱組織[11]。加熱與保溫是影響淬火質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，奧氏體化獲得的組織狀態(tài)直接影響淬火后的性能，一般鋼件奧氏體晶?？?/p>

31、制在5―8級(jí)。</p><p><b>　　（3）淬火冷卻</b></p><p>　　要使鋼中高溫相奧氏體在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏貋喎€(wěn)相馬氏體，冷卻速度必須大于鋼的臨界冷卻速度。工件在冷表面與心部的冷卻速度有一定差異，如果這種差異足夠大，則可能造成大于臨界冷卻速度部分轉(zhuǎn)變成馬氏體，而小于臨界冷卻速度的心部不能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體需要選用冷卻能力足夠強(qiáng)的淬火介質(zhì)，以保證工件心部

32、有足夠高的冷卻速度。但是冷卻速度大，工件內(nèi)部由于熱脹冷縮不均勻造成內(nèi)應(yīng)力，可能使工件變形或開裂。因而要考慮上述兩種矛盾因素，合理選擇淬火介質(zhì)和冷卻方式。冷卻階段不僅零件獲得合理的組織，達(dá)到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形狀精度，是淬火工藝過程的關(guān)鍵[12]。</p><p>　　2.3 淬火后組織分析</p><p>　　淬火后得到的組織有馬氏體和貝氏體兩部分。</p>

33、<p>　　2.3.1 馬氏體</p><p>　　馬氏體是由奧氏體急速冷卻形成，這種情況下奧氏體中固溶的碳原子沒有時(shí)間擴(kuò)散出晶胞。當(dāng)奧氏體達(dá)到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變開始產(chǎn)生，母相奧氏體組=組織開始不穩(wěn)定。在Ms以下某溫度保持不變時(shí)，少部分的奧氏體組織迅速轉(zhuǎn)變，但不會(huì)繼續(xù)。只有當(dāng)溫度進(jìn)一步降低，更多的奧氏體才會(huì)轉(zhuǎn)變成馬氏體。最后，溫度到達(dá)馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Mf馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束。馬氏體還可以

34、在壓力作用下形成，這種方法經(jīng)常用在硬化陶瓷上（氧化釔、氧化鋯）和特殊的鋼種（高強(qiáng)度、高延展性的鋼）。因此，馬氏體是體心立方結(jié)構(gòu)，奧氏體是面心立方結(jié)構(gòu)。奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變僅需要很少的能量，因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)變是無擴(kuò)散位移型的，僅僅是迅速和微小原子重排。馬氏體密度低于奧氏體，所以轉(zhuǎn)變后體積會(huì)膨脹。相對(duì)于轉(zhuǎn)變帶來的體積改變，這種變化引起的切應(yīng)力、拉應(yīng)力則更需要重視。馬氏體在Fe-C相圖中沒有出現(xiàn)，因?yàn)樗皇且环N平衡的組織[13]。平衡組織的形成需要很

35、慢的冷卻速度和足夠時(shí)間擴(kuò)散，而馬氏體是在非?？斓睦鋮s速度下形成。由于化學(xué)反應(yīng)（向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變）溫度高時(shí)會(huì)加快，馬氏體在加熱情況下容易分解。這個(gè)過程叫回火。在某些合金中加入合金元素會(huì)減少這種馬氏體的分解。比如，加入合</p><p>　　2.3.2 貝氏體</p><p>　　又稱貝茵體，鋼中相形態(tài)之一。鋼過冷奧氏體的中溫（ Ms-550℃）轉(zhuǎn)變物，a-Fe和Fe3C的復(fù)相組織，用符號(hào)B來表

36、示。貝氏體轉(zhuǎn)變溫度介于珠光體轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變溫度之間，在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度偏高區(qū)域轉(zhuǎn)變產(chǎn)物叫上貝氏體（up bai-nite）（350℃-550℃），外觀形貌似羽毛狀貝氏體。沖擊韌性較差，生產(chǎn)上應(yīng)求避免。貝氏體轉(zhuǎn)變溫度下端偏低溫度區(qū)域轉(zhuǎn)變產(chǎn)物叫下貝氏體（Ms-350℃）。其沖擊韌性較好。為了提高韌性，生產(chǎn)上應(yīng)通過熱處理控制獲得下貝氏體[14]。</p><p>　　3 ANSYS10.0熱分析</p>

37、<p>　　3.1 ANSYS軟件介紹</p><p>　　ANSYS用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布以及其他熱物理參數(shù)，在ANSYS/Multiphysics/ANSYS/Mechanical/ANSYS/Thermal/ANSYS/FLOTRAN/ANSYS/ED等產(chǎn)品中包含熱分析功能，其中ANSYS/FLOTRAN不包含相變熱分析。ANSYS10.0熱分析基于能力守恒原理的熱平衡方程，用有限元

38、法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)溫度，并到處其他物理參數(shù)[15]。</p><p>　　ANSYS10.0熱分析分類，主要有兩大類：</p><p>　　穩(wěn)態(tài)傳熱：溫度分布場(chǎng)不隨時(shí)間變化。</p><p>　　瞬態(tài)傳熱:溫度分布場(chǎng)隨時(shí)間發(fā)生明顯變化。</p><p>　　3.2 熱分析的目的</p><p>　　熱分析的目的是分析一個(gè)系

39、統(tǒng)或某些部件的溫度場(chǎng)分布和某些其它熱物理量參數(shù)，如熱量的得失、熱量梯度、熱流的密度（熱通量）等，熱分析對(duì)于很多生產(chǎn)和研究都非常重要。</p><p>　　3.3 熱分析的基本理論</p><p>　　3.3.1 基本符號(hào)與單位</p><p><b>　　如表3.1[16]</b></p><p>　　表3.1 熱分

40、析基礎(chǔ)單位</p><p>　　注①:在熱分析中，攝氏度和華氏攝氏度換算關(guān)系為1℃=5/9（℉-32）</p><p>　　表3.2 熱分析單位換算表</p><p>　　3.3.2 熱傳遞的方式</p><p>　?。?）傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律</p><p>　　Q/t=KA(Th-Tc)/d

41、 (3-1)</p><p>　　式中Q為時(shí)間t內(nèi)傳熱量或熱流量；K為熱傳導(dǎo)率或傳熱系數(shù)；T為溫度；A為平面面積；d為兩平面之間的距離。</p><p>　?。?）對(duì)流，熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來描述</p><p>　　q〃=h(Ts-Tb) (3-2)<

42、;/p><p>　　式中h為對(duì)流換熱系數(shù)（或稱膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等），Ts為固體表面溫度，Tb為周圍流體的溫度。</p><p>　?。?）輻射，它們之間的凈熱量傳遞可以用史蒂芬-波爾茲曼方程來計(jì)算</p><p>　　q=εσA1F12(T14 - T24) (3-3)</p><p&g

43、t;　　在絕大多數(shù)情況下，我們分析的熱傳導(dǎo)問題都帶有對(duì)流和輻射邊界條件。</p><p>　　3.3.3 熱力學(xué)第一定律</p><p>　　對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量的流入或留出）</p><p>　　Q-W=△U+△KE+△PE (3-4)</p><p><b>　　式

44、中 Q—熱量；</b></p><p><b>　　W—做功；</b></p><p><b>　　△U—系統(tǒng)熱力能；</b></p><p>　　△KR—系統(tǒng)的動(dòng)能；</p><p>　　△PE—系統(tǒng)的勢(shì)能。</p><p><b>　　在大多數(shù)的熱

45、問題：</b></p><p>　　△KE=△PE=0 (3-5)</p><p>　　如果考慮沒有做功的話：W=0，則，Q=△U。 （3-6）</p><p>　　在穩(wěn)態(tài)熱分析：Q=△U=0。</p>&l

46、t;p>　　而對(duì)于瞬態(tài)熱分析的話：q=Du/dt。</p><p><b>　　熱分析的控制方程</b></p><p>　　3.3.4 熱傳導(dǎo)控制微分方程</p><p>　　δδx (λxxδTδx )+δTδy (λyyδTδy )+δδz (λyyδTδz )+q"=ρcdTdt

47、 (3-7)</p><p><b>　　其中</b></p><p>　　dTdt =δTδt +VxδTδx +VyδTδy +VzδTδz (3-8)</p><p>　　其中，Vx，Vy，Vz為媒介的

48、傳導(dǎo)速率快慢。</p><p>　　將控制微分方程轉(zhuǎn)成等效的積分形式：</p><p>　　∫vol（ρcδT(δTδt +｛v｝T｛L｝T)+｛L｝TδT([D]{L}T）d(vol) =∫s2δT q*d(S2)+∫s3δThf(Tb-T)d(S3)+∫volδTq"d(vol) (3-9)</p><p>　　式

49、中 vol—單元體積；</p><p>　　{L}T=[δδx δδy δδz ]；</p><p>　　q"—單位體積的熱生成；</p><p>　　hf—表面的傳熱系數(shù)；</p><p>　　Tb—流體的溫度大?。?lt;/p><p>　　δT—溫度的虛變量大?。?lt;/p><p>

50、;　　S2—熱通量的施加面積大?。?lt;/p><p>　　S3—對(duì)流的施加面積大小。</p><p>　　3.4 ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析</p><p>　　穩(wěn)態(tài)傳熱對(duì)于分析穩(wěn)定的熱載荷在系統(tǒng)或某一部件的影響，一般情況下在進(jìn)行瞬態(tài)熱分析以前都會(huì)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，這樣可以確定初始溫度分布。穩(wěn)態(tài)熱分析一般可以在有限元計(jì)算中確定穩(wěn)定熱載荷得到溫度、熱量梯度、熱流率等參數(shù)的情況。

51、</p><p>　　3.4.1 熱載荷和邊界條件的類型</p><p>　　ANSYS10.0熱載荷分四類：</p><p>　　（1）DOF約束：指定的DOF（溫度）數(shù)值</p><p>　?。?）集中載荷：集中載荷（熱流）施加在點(diǎn)上</p><p>　?。?）面載荷：在面上的分布載荷（對(duì)流，熱流）</p&

52、gt;<p>　?。?）體載荷：體積或區(qū)域載荷</p><p>　　表4.1 ANSYS10.0中載荷類型</p><p><b>　?。?）溫度</b></p><p>　　均勻的溫度可以施加到全部的節(jié)點(diǎn)上，而不是一種溫度的束縛，通常只在施加初始溫度而非約束，在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)分析的第一個(gè)子步驟加在全部節(jié)點(diǎn)上。它也可以用于估計(jì)隨溫度變

53、化材料特性的初值。</p><p><b>　　（2）熱流率</b></p><p>　　熱流率是集中節(jié)點(diǎn)的載荷。正的熱流率是能量流入實(shí)體和模型。熱流率也可以施加在某些關(guān)鍵點(diǎn)上。這種載荷一般用于對(duì)流以及熱流不能施加的情況下。施加該載荷到有很大差距的區(qū)域的熱導(dǎo)率上時(shí)應(yīng)注意。</p><p><b>　?。?）對(duì)流</b>&l

54、t;/p><p>　　施加在實(shí)體和模型外表面上的載荷，模擬熱量交換。</p><p><b>　　（4）熱流</b></p><p>　　同樣在面載荷，使用在熱流率已知的面的情況下。熱流輸入模型由正熱流值來表示。</p><p><b>　?。?）熱生成率</b></p><p>

55、;　　作為體載荷施加，代表體內(nèi)生成的熱，單位是單位體積內(nèi)的熱流率。</p><p>　　3.4.2 穩(wěn)態(tài)熱分析基本步驟</p><p>　　無論是穩(wěn)態(tài)熱分析還是瞬態(tài)熱分析，均可將ANSYS10.0熱分析分為3個(gè)步驟：</p><p>　?。?）前處理：建模。</p><p>　?。?）求解：施加載荷計(jì)算結(jié)果。</p><

56、p>　?。?）后處理：查看結(jié)果。</p><p><b>　　具體過程如下：</b></p><p><b>　　（1）建模</b></p><p>　?、俅_定jobname、Title、Unit。</p><p>　?、谶M(jìn)入PREP7前處理，定義單元類型，設(shè)定單元選項(xiàng)。</p>

57、<p><b>　?、鄱x單元實(shí)常數(shù)。</b></p><p>　?、芏x材料熱性能參數(shù)，對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱，一般只需定義熱導(dǎo)率，它可以是恒定的，也可以隨溫度變化。</p><p>　?、輨?chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格。</p><p><b>　?。?）施加載荷計(jì)算</b></p><p>　　①定

58、義分析類型 如果進(jìn)行新的熱分析，則</p><p>　　GUI操作：選擇Main Menu＞Solution＞Analysis Type-＞New Analysis＞Steady-state。</p><p>　　命令：ANTYPE，STATIC,NEW。</p><p>　　如果繼續(xù)上次分析，比如增加邊界條件等，則</p><p>　　G

59、UI操作：選擇Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Restart。</p><p>　　命令：ANTYPE,STATIC,REST。</p><p>　?、谑┘虞d荷 可以直接在實(shí)體模型或單元模型上施加五種載荷（邊界條件）。</p><p><b>　　1）恒定的溫度。</b></p><p&g

60、t;　　GUI操作：選擇Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Temperature。</p><p><b>　　命令：D。</b></p><p><b>　　2）熱流率。</b></p><p>　　GUI操作：選擇Main Menu＞Solution＞Defie

61、 Loads＞Apply＞Thermal＞Heat Flow。</p><p><b>　　命令：F。</b></p><p><b>　　3）對(duì)流。</b></p><p><b>　　命令：SF。</b></p><p><b>　　4）熱流密度。</b&g

62、t;</p><p>　　GUI操作：選擇Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Heat Flux。</p><p><b>　　命令：F。</b></p><p><b>　　5）生熱率。</b></p><p>　　GUI操作：選擇Main

63、Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Heat Generat。</p><p><b>　　命令：BF。</b></p><p><b>　?、鄞_定載荷步選項(xiàng)</b></p><p><b>　　④確定分析選項(xiàng)</b></p><p&g

64、t;　　⑤保存模型 點(diǎn)擊ANSYS工具條SAVE_DB</p><p><b>　?、耷蠼?lt;/b></p><p><b>　　（3）查看結(jié)果</b></p><p>　?、龠M(jìn)入通用處理器和/或時(shí)序后處理器。</p><p>　　②使用列表、繪圖等查看結(jié)果。</p><p>

65、;<b>　?、鄄榭凑`差估計(jì)。</b></p><p><b>　　④驗(yàn)證求解。</b></p><p>　　3.5 ANSYS瞬態(tài)分析</p><p>　　3.5.1 瞬態(tài)熱分析特性</p><p>　　瞬態(tài)熱分析是用于分析計(jì)算隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)和其他熱參數(shù)的系統(tǒng)。研究上基本用瞬態(tài)熱分析分析溫

66、度場(chǎng)，作為熱載荷進(jìn)行應(yīng)力分析。</p><p>　　瞬態(tài)熱分析的步驟類似于穩(wěn)態(tài)熱分析。它們的主要區(qū)別是各自的載荷是隨時(shí)間的變化是否發(fā)生變化。時(shí)間在穩(wěn)態(tài)熱分析中僅用于計(jì)數(shù)，現(xiàn)在有了明確的物理意義。熱能存儲(chǔ)效應(yīng)在穩(wěn)態(tài)分析忽律其影響，在瞬態(tài)分析要考慮進(jìn)去?！皶r(shí)間”在兩者中都用作步進(jìn)參數(shù)。每個(gè)載荷步和子步都和特定的時(shí)間有關(guān)系，即使求解本身可能不隨速率而變化。</p><p>　　3.5.2 時(shí)間

67、步長(zhǎng)設(shè)置</p><p>　　時(shí)間步長(zhǎng)是影響非線性求解精度和效率的最主要因素，通常情況，當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)減少：</p><p>　?。?）發(fā)散可能性的求解會(huì)下降</p><p><b>　?。?）結(jié)果更加準(zhǔn)確</b></p><p>　　（3）迭代次數(shù)的求解下降</p><p>　?。?）分析的時(shí)間增長(zhǎng)

68、</p><p>　　優(yōu)化的時(shí)間步長(zhǎng)有許多因素影響，主要影響因素如下：</p><p>　?。?）非線性的程度和類型</p><p>　?。?）載荷位置和類型</p><p><b>　　（3) 網(wǎng)格大小</b></p><p>　　4 T8鋼圓柱體熱分析</p><p>

69、;<b>　　4.1 問題描述</b></p><p>　　利用ANSYS的熱分析功能對(duì)材料為T8鋼圓柱體進(jìn)行瞬態(tài)熱傳遞分析。圓柱體的直徑為10mm，尺寸如和幾何模型如下圖所示。</p><p><b>　　CAD尺寸圖</b></p><p><b>　　三維模型</b></p>&

70、lt;p><b>　　分析時(shí)作以下假設(shè)：</b></p><p>　?。?）假定圓柱體在分析過程中與周圍環(huán)境介質(zhì)僅發(fā)生對(duì)流</p><p>　　（2）分析時(shí)忽略T8材料的熱物理性能參數(shù)（導(dǎo)熱系數(shù)和比熱）隨溫度變化的影響</p><p>　　假設(shè)T8圓柱體的初始溫度為室溫25℃，將其放入800℃的爐中加熱并保溫，持續(xù)20分鐘后，將其突然放入

71、溫度為50攝氏度的油中進(jìn)行冷卻，油的對(duì)流系數(shù)為2000 W/(m2.℃)。求解：</p><p>　　加熱保溫10分鐘、20分鐘、30分鐘以及油淬冷階段的10分鐘、20分鐘、30分鐘圓柱體的溫度場(chǎng)分布情況。</p><p>　　圓柱體上特殊點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。</p><p><b>　　T8材料熱性能參數(shù)</b></p>

72、<p><b>　　4.2 求解步驟</b></p><p>　?。?）定義分析文件名</p><p>　　選擇Utility Menu＞File＞Change Jobname，在彈出的對(duì)話框中輸入Exercise1，然后點(diǎn)擊OK。</p><p><b>　　（2）定義單元類型</b></p>

73、<p>　　選擇Main Menu＞Preprocesor＞Element Type＞Add/Edit/Delete,在彈出對(duì)話框中選擇Thermal Solid和Quad 4node 70,點(diǎn)擊OK后在單元增添對(duì)話框中然后點(diǎn)擊Close。</p><p><b>　?。?）定義材料屬性</b></p><p>　　點(diǎn)擊Preprocessor＞Mater

74、ial Props＞Material Models，出現(xiàn)Define Material Model Behavior對(duì)話框。在Material Models Availabel列表框中依次雙擊Thermal＞Conductivity＞Isotropic選項(xiàng)，出現(xiàn)Conductivity for Material Number1對(duì)話框，在文本框中輸入79，單機(jī)OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。雙擊Define Material Model Behav

75、ior對(duì)話框上的Specific Heat按鈕，出現(xiàn)Specific Heat for Material Number 1對(duì)話框，在文本框中輸入608，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。雙擊Define Material Model Behavior對(duì)話框上的Density按鈕，出現(xiàn)Density for Material Number 1對(duì)話框，在文本框中輸入7800，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p><

76、b>　?。?）建立幾何模型</b></p><p>　　該鋼件屬于軸對(duì)稱模型，可以首先建立鋼件的四分之一的三維模型。分析完成之后利用模型擴(kuò)展功能，得到鋼件整體的分析結(jié)果。點(diǎn)擊Preprocessor＞Modeling＞Volumes＞By Demensions，出現(xiàn)Create Cylinder by Dimensions對(duì)話框，在Outer radius文本框輸入5，在Z-coordinate

77、s文本框輸入0和20，在Staring angle文本框輸入0，在Ending angle文本框輸入90，點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。</p><p><b>　　四分之一模型</b></p><p>　?。?）控制單元大小 選擇Main Menu＞Preprocesor＞Meshing＞Size Cntrls＞Manualsize＞Global＞Size,在Elemen

78、t edge length框輸入0.5，點(diǎn)擊OK。</p><p>　?。?）劃分單元 選擇Main Menu＞Preprocesor＞Meshing＞Mesh＞Volumes＞Free, 在彈出對(duì)話框點(diǎn)擊Pick All。</p><p>　?。?）軸對(duì)稱模型拓展 選擇菜單欄上的PlotCtrls＞Style＞Symmetry Expandsion＞Periodic/Cyclic Sym

79、metry…，彈出Periodic/Cyclic Symmetry Expansion對(duì)話</p><p>　?。?）設(shè)定求解選項(xiàng) 選擇Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞New Analysis,彈出如下對(duì)話框，點(diǎn)擊OK按鈕選擇Transient瞬態(tài)分析類型，在再次彈出的窗口選擇Full選項(xiàng)，點(diǎn)擊OK關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　選擇Main Menu＞

80、Solution＞Analysis Type＞Sol’n Controls,彈出Solution Controls對(duì)話框，在Time at end of loadstep文本框輸入3600，將Automatic time stepping至于On位，Time step size文本輸入1，Minimum time step文本框輸入1，Maximum time step文本框輸入6，F(xiàn)requency置于Write every subs

81、tep位，點(diǎn)擊OK關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　施加初始溫度 選擇Main Menu＞Solution＞Deline Loads＞Apply＞Thermal＞Temperature＞Uniform temerature,在對(duì)話框的Lab中選TEMP,VALUE中輸入25點(diǎn)擊OK。 </p><p>　　施加對(duì)流換熱載荷 選擇Utility Menu＞Plot＞Areas,選擇Main

82、Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Convection＞On Areas，選擇Min,Max,Inc，先輸入1,3,1后回車鍵，點(diǎn)擊OK，彈出Apply CONV on areas對(duì)話框，在Film coefficient文本框輸入2000，在Bulk temperature文本框輸入800。</p><p>　　寫入載荷步 選擇Utility Menu＞Solut

83、ion＞Load Step Opts＞W(wǎng)rite LS File，彈出Write Load Step File對(duì)話框，在Load step file number n文本框輸入1，點(diǎn)擊OK。</p><p>　　重復(fù)上述步驟，設(shè)置載荷步2的所有選項(xiàng)。</p><p>　　求解 選擇Utility Menu＞Solution＞Solve＞From LS Files，彈出Solve Load

84、Step Files對(duì)話框，在Starting LS file number文本框輸入1，在Ending LS file number文本框輸入2，在File number increment文本框輸入1，點(diǎn)擊OK，開始進(jìn)行求解。</p><p>　　當(dāng)出現(xiàn)下圖時(shí)表示求解結(jié)束。</p><p><b>　　結(jié)果與分析</b></p><p>　

85、　對(duì)于該圓柱體零件，為軸對(duì)稱零件，在此選取以下四點(diǎn)為研究對(duì)象：圓柱體的幾何中心、圓柱體頂圓中心、圓柱體頂圓邊上的點(diǎn)、圓柱體側(cè)面中間點(diǎn)，在此分別成為A、B、C、D點(diǎn)。</p><p>　　（1）淬火過程中不同時(shí)刻零件的溫度場(chǎng)分布</p><p><b>　　10分鐘</b></p><p><b>　　20分鐘</b><

86、;/p><p><b>　　30分鐘</b></p><p><b>　　40分鐘</b></p><p><b>　　50分鐘</b></p><p><b>　　60分鐘</b></p><p>　?。?）淬火過程中各點(diǎn)隨時(shí)間的變化

87、關(guān)系</p><p>　　注②：紅色代表C點(diǎn)，綠色代表A點(diǎn)，藍(lán)色代表D點(diǎn)，紫色代表B點(diǎn)</p><p>　　從結(jié)果我們可以看出，在工件加熱的時(shí)候，C點(diǎn)溫度上升的最快，在冷卻的時(shí)候，C點(diǎn)的溫度下降的也最快。各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化的速度不一樣，由于所選節(jié)點(diǎn)的接觸位置不一樣，導(dǎo)致溫度變化的速率也不一樣，這主要原因是由于各節(jié)點(diǎn)與介質(zhì)的的接觸面積不一樣。而A點(diǎn)在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)基本沒有發(fā)生變化，這是由于

88、該節(jié)點(diǎn)選擇的是位于圓柱體的中心位置，未與介質(zhì)接觸，它的溫度變化只能靠零件本身傳熱，所以在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)溫度基本保持不變。</p><p><b>　?。?）保溫時(shí)間</b></p><p>　　從結(jié)果我們可以看出，如果相應(yīng)的加熱保溫時(shí)間增長(zhǎng)，零件的內(nèi)部溫度就越高，淬透性也就越好。</p><p><b>　　(4)淬火介質(zhì)</b&

89、gt;</p><p>　　由上面的分析我們不難發(fā)現(xiàn)，淬火冷卻過程中，部件冷卻速度不一樣，這有可能導(dǎo)致部件各部分受熱不均勻而出現(xiàn)斷裂的情況，所以對(duì)于比較大的部件，淬火時(shí)采用油淬冷卻比較不易使部件斷裂，這樣可以得到較高的淬透性和淬硬性又大大減少了變形和開裂，適應(yīng)于比較復(fù)雜的工藝部件的淬火。淬火介質(zhì)的選擇在整個(gè)淬火過程中的作用至關(guān)重要，可以根據(jù)不同的工藝部件選擇不同的淬火介質(zhì)。</p><p>

90、;<b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]高強(qiáng)度耐蝕鋼軌的研究 任安超 武漢科技大學(xué) 2012.11.01</p><p>　　[2]基于Ansys淬冷過程的研究 高海東 貴州大學(xué) 2008.05.01</p><p>　　[3]淬火冷卻過程三維有限元模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化的研究 牛遠(yuǎn)山 山東大學(xué) 2007.12.01</p&

91、gt;<p>　　[4]機(jī)械CAD與機(jī)械制圖的有機(jī)結(jié)合 趙繼東 王佳珺 科技創(chuàng)業(yè)家 2014.01.16</p><p>　　[5]利用Ansys實(shí)現(xiàn)斜拉橋非線性分析 衛(wèi)星 張士中 四川建筑科學(xué)研究 2013.12.25</p><p>　　[6]模具材料選用熱處理與使用壽命 周敬恩 金屬熱處理 1999.05.25</p><p>　　[7]新版碳素

92、工具鋼和高速工具鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的變化 王開遠(yuǎn) 模具技術(shù) 2011.01.25</p><p>　　[8]密封箱式多用爐滲碳工藝研究 趙亞麗 浙江大學(xué) 2012.02.01</p><p>　　[9]淬火介質(zhì)冷卻性能的研究 黃華 大連交通大學(xué) 2012.06.01</p><p>　　[10]等溫淬火溫度對(duì)ADI中殘余奧氏體及其力學(xué)性能的影響 劉金海 邊泊乾 李國(guó)祿 徐

93、獻(xiàn)義 熱加工工藝 2007.04.25</p><p>　　[11]熱處理小知識(shí)續(xù) 熱處理技術(shù)與裝備 2013.04.25</p><p>　　[12]高強(qiáng)度鋼板熱沖壓過程的模具溫度控制與數(shù)值模擬技術(shù)研究 張磊 山東大學(xué) 2013.03.17</p><p>　　[13]高強(qiáng)Fe-V耐熱合金的開發(fā)研究 高航 東北大學(xué) 2010.06.01</p>&l

94、t;p>　　[14]T91鐵素體耐熱鋼相變過程及強(qiáng)化工藝 寧保群 天津大學(xué) 2007.12.01</p><p>　　[15]Ansys10.0有限元分析 鄧凡平 人民郵電大學(xué)</p><p>　　[16]基于熱分析基礎(chǔ)上的微機(jī)熱設(shè)計(jì) 張小軍 西北工業(yè)大學(xué) 2006.03.01</p><p><b>　　致 謝</b></p>

95、;<p>　　這次畢業(yè)論文能夠得以順利完成，并非我一人之功勞，是所有指導(dǎo)過我的老師，幫助過我的同學(xué)和一直關(guān)心支持著我的家人對(duì)我的教誨、幫助和鼓勵(lì)的結(jié)果。我要在這里對(duì)他們表示深深的謝意！</p><p>　　感謝我的指導(dǎo)老師，沒有您的悉心指導(dǎo)就沒有這篇論文的順利完成。老師交給我做人的道理以及老師滲透給我對(duì)工作學(xué)習(xí)的態(tài)度會(huì)使我終生受益.感謝所有教授過我課程的太原工業(yè)學(xué)院的老師們，是你們誨人不倦才有了現(xiàn)在

96、的我。</p><p>　　感謝我的父母，沒有你們，就沒有我的今天，你們的支持與鼓勵(lì)，永遠(yuǎn)是支撐我前進(jìn)的最大動(dòng)力。</p><p>　　感謝身邊所有的朋友與同學(xué)，謝謝你們這些年來的關(guān)照與寬容，與你們一起走過的繽紛時(shí)代，將會(huì)是我一生最珍貴的回憶。</p><p><b>　　附 件</b></p><p>　　求解的關(guān)鍵命

97、令流文件（APDL）</p><p>　　/SOLU !進(jìn)入求解模塊</p><p>　　ANTYPE,TRANSIENT !選擇瞬態(tài)分析類型</p><p>　　TIME,30 !定義計(jì)算終止時(shí)間</p><p>　　DELTIM,1,1,1 !定義最大、最小時(shí)間步長(zhǎng)</

98、p><p>　　AUTOTS,,ALL !打開自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)</p><p>　　OUTRES,,ALL !輸出全部結(jié)果文件</p><p>　　KBC,1 !設(shè)置加載方式，階躍加載</p><p>　　BFUNIF,TEMP,800 !初始溫度</p><p>&

99、lt;b>　　ALLSEL</b></p><p>　　SF,ALL,CONV,110,0 !施加對(duì)流載荷，110表示水的對(duì)流系數(shù)，0表示0℃EQSLV,JCG !選擇求解器</p><p>　　SOLVE !求解</p><p><b>　　FINISH</b></p>