基于ANSYS软件的钢球淬火过程分析

1、 毕 业 论 文（2015届）题 目 基于ansys软件的钢球淬火过程分析学 院 数学计算机学院专 业 信息与计算科学年 级 2011级学生学号 12011242826 学生姓名 杨坤指导教师 马文涛基于ansys软件的钢球淬火过程分析数学计算机学院信息与计算科学专业2015届 杨坤摘 要：钢球广泛应用于工业生产中的多个领域，钢球的淬火处理是保证钢球质量的关键生产工艺之一. 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. 特别适用于钢球淬火过程温度场的准确计算. 本文利用ansys有限元分析软件对钢球淬火过程温度场进行有限元模拟分析，得到了钢球温度随淬

2、火时间变化的分布关系和钢球体内不同位置的温度分布情况.关键词：钢球淬火；温度场；ansys软件；模拟中图分类号：o313.3analysis of the steel ball quenching process based on ansys softwareabstract: steel ball is widely used in the industrial production, and hardened steel ball is the key to ensure the quality of the production process of steel ball. nonlin

3、ear thermo physics parameters are considered in ansys finite element software, so it can be used to compute temperature in the quenching. in this paper makes use of ansys finite element software to simulate the temperature field in quenching process of steel ball, and obtains the relationship betwee

4、n temperature of steel ball and quenching time and temperature distribution of different position.key words: steel ball quenching; temperature field; ansys software; simulation目 录 1 引言11.1 材料及软件介绍11.2 钢球催火的基本原理11.3 钢球淬火的模拟方法12 淬火过程数学模型22.1 温度场控制方程22.2 淬火过程导热微分方程22.3 导热微分方程的定解条件32.4 钢球淬火过程有限分析42.4.1

5、淬火模型求解42.4.2 模型算例验证42.4.3 有限元分析53 基于ansys软件的温度场分析63.1 非稳态温度场实例63.2 钢球淬火的ansys模型63.2.1 前处理阶段63.2.2 后处理阶段84 结术语10参考文献10致谢10基于ansys软件的钢球淬火过程分析1 引言1.1 材料及软件介绍(1) 钢球主要用来制造轴承和粉碎物料等, 有着较广泛的用途. 钢球一般采用铸造或者由钢锭锻造的方式生产. 生产过程中, 钢球的淬火处理往往是其生产过程中的关键工艺之一. 钢球的淬火处理一般采用把常温的钢球重新加热快速冷却的方式进行. 重新加热淬火时, 淬火温度容易控制，钢球的部分碳化物溶解

6、, 碳向基体扩散, 可以有效地提高钢球的表面硬度. 传统粗放式生产方式常采用对一批(筐)钢球进行整体加热后一起倒入水中冷却的方式进行. (2) ansys软件是一个功能强大而灵活的大型通用有限元分析软件. john- swanson博士与1970年开发的, 经过几年对原始软件修改, 目前, ansys软件的功能更加强大, 使用更加便捷. 新版本ansys软件中可以用来结构静力学分析、结构动力学分析、结构屈曲分析、热力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析、流体动力学分析. 同时进行产品分析时, 使用ansys软件对产品性能进行仿真分析, 可以发现产品的问题, 降低产品成本, 缩短设计周期, 提

7、高设计的成功率. 1.2 钢球催火的基本原理淬火1是把钢球加热到临界值以上, 保温一定的时间, 然后以大于临界冷却速度, 从而获以马氏体为主的不平衡组织的一种热处理方法. 在淬火冷却过程中, 因为钢球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钢球的组织性能和使用寿命. 如果热处理不当, 将会造成钢球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. 1.3 钢球淬火的模拟方法目前普遍采用比较成熟的有限元法来模拟淬火过程的变化. 所使用的有限元软件有adina, nsys, marc等. 大多数的模拟结果都得到了实验测试数据的支持, 取得

8、了令人满意的效果. 计算机模拟技术是发展材料学与工程技术的桥梁. 热处理计算机模拟有赖于计算传热学、相变动力学、热弹塑性力学、数值计算等学科的发展. 它不仅为热处理的计算机模拟研究与应用提供了坚实的基础, 同时它又促进了热处理模拟技术的迅速发展. 热处理模拟技术不仅有强大的计算功能, 而且还可以显示任何时刻工件内任意截面上的温度场、组织场、应力场, 能使操作者观察到各种场量随时间推移的情况, 也可以显示出用户所感兴趣的任何点上的温度、应力、组织随时间的变化曲线. 2 淬火过程数学模型 2.1 温度场控制方程固体热传导的控制方程是fourier导热方程, 最基本的fourier定律在稳态条件下可

9、描述为： (2.1)其中, 是方向上单位表面积的热流率, 称为比热流率或热流密度；是材料的导热系数；是方向上的温度梯度；“-”号表示传热的方向和温度梯度的方向相反. 2.2 淬火过程导热微分方程 在淬火过程中, 钢球内部的热量是以热传导方式向外传递的, 在钢球表面, 主要是通过淬火介质与钢球表面的热对流而散发热量根据能量守恒定律和傅里叶定律, 建立导热物体中温度场的数学表达式2, 式(2)为三维的钢球热传导偏微分方程： (2.2)由于钢球是中心对称物体，则钢球沿, , 方向的导热系数是相同的, 所以(2)式可写为： (2.3)方程式中，等式左边项的为钢球体内升温需要的热量；等式右边项分别为,

10、和方向流入钢球体内的热量；最后一项为钢球体内产生的热量. 其中，是材料的密度；为材料的比热容 ；为时间；分别为材料沿, , 方向的热导率；为材料内部的热源密度. 2.3 导热微分方程的定解条件导热微分方程的定解条件包括初始条件和边界条件2. (1) 初始条件. 初始条件是指求解问题的初始温度场, 是计算的出发点, 也就是在零时刻温度场分布. 其各点的温度值已知或者遵从某种函数关系, 如式(4)所示. (2.4)由于淬火冷却过程模拟的初始条件一般都忽略加热过程, 即假定淬火前的加热是均匀透烧,初始温度场为均匀温度场, 初始的应力为零. 所以上述函数关系式可以变为式(5). (2.5)其

11、中, 为已知常温, 是常数. (2) 边界条件. 边界条件是求解温度场最要的条件, 也是指物体表面或者边界与周围环境的热交情况, 通常有三类边界条件. 不同边界条件下的导热情况及表达式如下： 第一类边界条件是指物体边界上的温度函数已知, 表示为 (2.6) 第二类边界条件是指物体边界上的温度函数已知, 表示为 (2.7)式中, 为物体边界的外法线方向. 第三类边界又称为对流边界条件, 是指物体与周围环境介质间的对流转热系数和介质的温度已知, 表示为 (2.8)式中, 是物体表面温度；为介质温度；为物体表面换热系数. 根据边界条件可知, 钢球淬火一般用第三类边界条件, 由给出的数据上式可以写为：

12、 (2.9)2.4 钢球淬火过程有限分析 2.4.1 淬火模型求解影响钢球淬火的物理学因素很多. 比如：物体密度、物体比热容、物体热导率以及初始温度等. 由于钢球的体积相对较小, 球内各点的温度变化可以忽略不计. 根据能量守恒定律, 我们可以得到温度随时间变化的表达式；此外, 由于钢球体和周围流体之间存在热对流, 因而满足固体热传导的控制方程. 而钢球冷却时流体的温度不随时间变化, 那么(10)式中的为常数, 并且方程是一个一阶微分方程, 然后分离变量并积分. 钢球达到一定温度所需要的时间为： (2.10)钢球在某一时间内的温度为： (2.11)2.4.2 模型算例验证 首先, 计算毕奥数看是

13、否可以应用集中容量法求解, 钢球的体积与表面积之比, 既有：因为, 显然可以使用集中容量法求解. 现利用方程确定后钢球的温度为： 说明：相关数据第三节给出. 2.4.3 有限元分析 根据钢球淬火热传导的控制函数和偏微分方程, 以及已知的边界条件和初始条件可知,通常称它为初边值问题. 这类问题的求解特点是在空间域内用有限单元网格划分, 而在时间域内则用有限差分网格划分, 实质上是有限单元和有限差分的混合解法. 由时间两点差分（时间向前差分，空间中心差分）可得： (2.12)化简, 有： (2.13)于是, 有： (2.14)令, 得： (2.15)稳定收敛标准为：3 基于ansys软件的温度场分

14、析3.1 非稳态温度场实例 有一个直径为0.3m的钢球, 球的初始温度为900, 将其突然放入温度为20的水中, 表面传热系数100w/(m2· )的流体介质中, 放入水中时间为1s. 钢球材料性能如下：密度：7800kg/m3、热导率：70w/(m·)、比热容：448j/(kg·). 计算：(i) 第1s, 10s, 30s和第50s的整个钢球的温度分布. (ii) 钢球边界上任一点的温度在50s内的变化曲线图. 3.2 钢球淬火的ansys模型3.2.1 前处理阶段 (1) 定义单元类型. 在ansys单元库中有一百多种不同的单元类型，每一个单元类型都具有一个

15、惟一的编号和一个标识单元类别的前缀, 如beam4、plane77、sol工d96等3. 确定自由度是否相容. 根据自由度的不同可选择的单元有线、面或三维实体的单元类型. 在淬火冷却温度场分析中, 首先, 单元必须要能够进行热分析；其次, 所选的单元还应能够进行瞬态非线性分析；最后还应能进行工件内部应力分析. 根据这些要求, 本文选取三维的solids. sol工ds具有3维磁场、热场、电场、压电场和结构场分析能力, 并能在各场之间实现有限的藕合. (2) 定义材料性能参数. 钢球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. 对比热容、热导率、换热系数等这些温度影响较大的

16、热物性参数, 必须根据其对应关系进行输入, 以确保计算结果的准确性. (3) 建立几何模型. 有限元分析是对物理现象的模拟, 是对真实情况的数值近似. 通过对分析对象划分网格, 求解有限个数值来近似模拟真是环境的无限个未知数. ansys中的模型是由ansys自带的建模工具进行建模. 一般来说, 比较复杂的模型可以用其它的cad软件较为方便. 本文的研究对象为钢球, 结构简单, 用ansys直接建模. 钢球截面如图3-1所示. 图3-1 钢球截面图(4) 网格划分. ansys中划分网格的方式主要有两种, 分别为自由网格划分和映射网格划分. 自由划分的网格对单元形状没有任何限制, 用这种方式划

17、分的网格排列不规则；而映射网格划分对包含的单元形状有限制, 用映射网格划分方式得到的网格具有规则的几何形状, 而且它对载荷的施加和收敛的控制相当有利. 因而, 在实际应用中一般优先选用映射网格划分. 本文采用自由网格划分, 建立实体模型并划分网格后如图3-2. 图3-2网格划分图(5) 加载荷载求解. ansys软件的分析类型分为：·static静态分析·modal模态分析·harmonic简谐激励分析·transient瞬态激励分析·spectrum响应谱分析·eigenbuekling线性屈曲分析由于淬冷过程中有相变发生, 所以选

18、取瞬态激励分析, 即trans1ent. 另在模型上加载初始温度为900(淬火开始时温度), 模型边界上施加温度载荷20(淬火介质的温度). 再设置载荷包括载荷步长、子步等后, 设置记录ansys运算过程中每一步迭代运算结果，以便后处理时查看淬火中间过程. 设置完后, 就可以运算求解了. 3.2.2 后处理阶段 (1) 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态变化过程. 下图所示为零件表面及心部在淬火1s, 10s, 30s, 50s时的温度场的分布. 从图中可以看出，在淬火1s时，表面温度迅速降低，而心部温度仍然维持高温,因而表面淬透性很大

19、, 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4. 图3-3 和时钢球体内温度分布图 图3-4 和时钢球体内温度分布图(2) 根据2.4.3节的差分格式计算, 在同一时刻各节点的温度分布情况与ansys有限元模拟的数据结果大致相同, 说明模拟结果具有可靠性. 如图3-5所示对6、3、4结点进行研究, 考察其温度随时间变化情况. 6节点由于处于轮轴外边缘交线上, 因而在刚开始淬火时, 温度下降极为迅速. 而3节点由于处在钢球的中间部位, 由于内部热源的补充使其温降速度下降缓慢. 同样的道理,3节点与4节点的温度时间关系也存在较大的差别. 同样可以对于其感兴趣的点, 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. 图3-5 表示为温度随时间的变化曲线4 结术语淬火过程是一个复杂的物理变化过程, 在这一变化过程中, 钢球的温度、组织和应力都会发生变化, 并且他们之间相互作用、相互祸合. 本文以大型有限元软件ansys为平台, 钢球