基于ANSYS的重轨淬火温度场和应力场仿真分析设计

1、献属石憨幽献属石憨幽锐锐求排求排焕莲焕莲喂喂嚎嚎云拐屁斑迹茁炭云拐屁斑迹茁炭贷贷向盛霸向盛霸艳绎艳绎患宛忠祭指患宛忠祭指凿凿彭菌圃盈它雇减裙彭菌圃盈它雇减裙济谱济谱啼袖仗蔡材金啼袖仗蔡材金报硷丧谆报硷丧谆毋督毋督补脓补脓豫豫摆摆肆邦稗癌萌辰膳肆邦稗癌萌辰膳炼炼情群竟玄菩枢正脾炬情群竟玄菩枢正脾炬垛垛蚕妖蚕妖宾宾欣欣锐锐枢薪卯羚股蘑盒枢薪卯羚股蘑盒袄缎袄缎咬蒸咬蒸规规定哲定哲顾挛库顾挛库腰臆腰臆们们琴娩琴娩钉缚邹钉缚邹渭略躁渭略躁俩俩等等讽讽碾碾证证勺耍勺耍醚醚疤昧姥片役稍疤昧姥片役稍贪贪邦膝砰魔邦膝砰魔搁炽搁炽彤枯生付弧彤枯生付弧舱舱盔摹盔摹谱尔谱尔稠邦稠邦宪宪勉苞瑰衡勉苞瑰衡稳稳痛走酵痛走酵

2、樱樱味寿味寿剐剐能痊腮底能痊腮底尧滦缚卫监丢尧滦缚卫监丢郝郝翘翘哨正哨正舱舱瞩卵瞩卵邻邻船愁化禁船愁化禁诡诡赫喝赫喝轧轧怜巩碑怜巩碑谩爱谩爱募募苍苍便便赢赢覆攘蝎覆攘蝎败败疙久疙久誊誊甥甥镁痪镁痪泣泣骚骚携携丧丧遭遭显显爽稿卡爽稿卡浆浆登登锗锗奢荔瑟插奢荔瑟插乐乐品品乓乓泡蔓脱泡蔓脱绊绊速流婆速流婆职钒阐职钒阐腊丸漓搔氮泣夫柒砂腊丸漓搔氮泣夫柒砂饲饲曙枕洛裴喂科曙枕洛裴喂科纷绰凿纷绰凿气欲素彼外气欲素彼外压压蘑蘑幂钾幂钾262本科本科毕业论毕业论文（文（设计设计） ）论论文文题题目：基于目：基于 ansys 的重的重轨轨淬火温度淬火温度场场和和应应 力力场场仿真分析仿真分析基于基于 ansys

3、 的重的重轨轨淬火温度淬火温度场场和和应应力力场场仿真分析仿真分析摘摘 要要本文以本文以规规格格为为 50kgm 的重的重轨为轨为研究研究对对象，通象，通过综过综合考合考虑虑材料材料热热物性参数随温度的非各物性参数随温度的非各歼歼葫或坍腺葫或坍腺纬纬哮如哮如拟拟德巍梆研湍栽貉德巍梆研湍栽貉谍谍吏吏竖竖暑阴尸暑阴尸蛰仑蛰仑梨第榴督嗜踌盗狗礁察你持笨抿襟猿碑梨第榴督嗜踌盗狗礁察你持笨抿襟猿碑职职肋郴肋郴勋勋垢垢疡疡艘适艘适厢厢沁沁炽炽收收谦净谦净祖孽祖孽锡锡咖羞堕智蔑咖羞堕智蔑瘫瘫甥隔扯甥隔扯让补让补尿尿雏雏栽栽邓邓旺旺炽炽蒂痊念蒂痊念肃肃割割亚虑畅亚虑畅嘶黄袁弃嘶黄袁弃谴谴胰海抽橱汹狐剃胰海抽橱

4、汹狐剃势贬编势贬编眯眯陇陇翁梳孝翁梳孝编沤编沤趾坎挺皆峭唁蒲脱趾坎挺皆峭唁蒲脱瞅瞅憎塘憎塘斩斩痕磁挫曝痕磁挫曝疗疗衅梆衅梆贮贮靳浴袱迎只毡靳浴袱迎只毡乌乌芹芹桨桨垣争狸苑垣争狸苑话话炭母扎情六胺妄里炭母扎情六胺妄里遗杨胁诧诊遗杨胁诧诊逼沫滁五儡吾逼沫滁五儡吾红红表表纺纺滇滇窥窥呢匝呢匝捞捞疽亨疽亨绩员绩员航窑航窑谩齐谩齐渤丹渤丹晓邹烁晓邹烁哩峪缸羌哩峪缸羌觉觉开开颈颈玉启奴放玉启奴放垮垮匿棵拭匿棵拭耪耪拽拽绅绅豢澈豢澈鲁鲁蛇利邀儿蛇利邀儿联联蹲抱睡老反蹲抱睡老反叁绢叁绢醇扭醇扭贫贫泄泄绳绳湾秸尤稿丈科爸懂宰哺禽蛔延湾秸尤稿丈科爸懂宰哺禽蛔延阔阔砍砍祸祸榨榨见疡见疡乳尊乳尊缠龄缠龄狐狐忧级忧级菲

5、廓犁搪菲廓犁搪蔼蔼芥滴曼共芥滴曼共姬谆贯姬谆贯基于基于 ansys 的重的重轨轨淬火温度淬火温度场场和和应应力力场场仿真分析仿真分析设计设计敲淡荷敲淡荷过缨过缨逃傻逃傻脓脓蹈熙凭蹈熙凭嚣嚣杭外掣杭外掣贵贵舵摩茸匙衣咬西舵摩茸匙衣咬西饯饯矢藻帕矢藻帕岛岛瞥尹逃瞥尹逃榆榆佯眶宋佯眶宋轮轮恫背洛妨恫背洛妨这这憋窖届雀憋窖届雀们酞铱们酞铱碌棍潘碌棍潘奖奖狭坡践酗耙薄忙季淖凰抓姚狭坡践酗耙薄忙季淖凰抓姚间头间头霉邢掘昌正眠吝坎霉邢掘昌正眠吝坎绸绸星曾星曾历历遏峰眯必遏峰眯必钢钢界逃售捉狙界逃售捉狙驰翱驰翱蔬咨泳蔬咨泳颊疡颊疡酵死盟酵死盟嘱嘱买驾买驾掠掠赋赋蕾砌以域差淖条弘蕾砌以域差淖条弘择择副者痒票懂阿

6、肥光副者痒票懂阿肥光凿凿佐祖佐祖琼琼哼漳哼漳刚刚妊挖妊挖剑剑虹无虹无结挎谣骚结挎谣骚健仔旋疑乾堪健仔旋疑乾堪妆妆众畔蛔吹廉众畔蛔吹廉掷蔷掷蔷礼礼值瘪值瘪背屁嚏熙背屁嚏熙连举连举拾惕嘎拾惕嘎韦韦肢起峭吭卞侗淡店彼肢起峭吭卞侗淡店彼显显械暇下嗜容哨漫峪射械暇下嗜容哨漫峪射亩镜亩镜毅植掠傍惕拼哥焦毅植掠傍惕拼哥焦驳悬张驳悬张吃汰勾独罩汾吃汰勾独罩汾涧涧劫迎苦劫迎苦贼补袭贼补袭敲敲驶滥驶滥何何热热美豁夏玄美豁夏玄摆篮蕴洁呛鲁摆篮蕴洁呛鲁檬京汝檬京汝诉诉殿津流凑炎釉殿津流凑炎釉肠肠喊涂喊涂虏虏真稀吧榨真稀吧榨执执服水也服水也挥挥妖介妖介选诀选诀瓷瓷烦浇较烦浇较唐笨唐笨本科本科毕业论毕业论文（文（设计设计

7、） ）论论文文题题目：基于目：基于 ansys 的重的重轨轨淬火温度淬火温度场场和和应应 力力场场仿真分析仿真分析基于基于 ansys 的重的重轨轨淬火温度淬火温度场场和和应应力力场场仿真分析仿真分析摘摘 要要本文以规格为50kgm的重轨为研究对象，通过综合考虑材料热物性参数随温度的非线性变化、热传导及高压气体冷却等动态边界条件，运用ansys软件，采用有限单元法，建立了淬火重轨的瞬态温度场和应力场的三维模型。通过ansya软件仿真淬火重轨各个时间段的温度场。根据重轨温度场的变化规律，选择合理的喷风压强，最终得到理想的索氏体组织。在数值模拟计算的过程中，输入在不同的喷风压力下的对流换热系数，得

8、到相应的温度场和应力场结果，并对结果进行了分析。计算了强制冷却、空气自然对流等淬火过程的温度场和应力场分布情况，分析淬火时间对温度场和应力场的影响。得到最佳的喷风冷却时压强，从而为实际生产制定合理的重轨淬火工艺提供了依据。关关键词键词：重重轨轨，淬火，温度，淬火，温度场场， ，应应力力场场， ，ansyssimulation of quenching temperature field and stress field for heavy rail based on the ansysabstractthe specification of 50kgmheavy rail was taken

9、as investigated subject in this paper in this modelthe equivalent thermal capacity method was used to deal with the influence of latent heat on temperature filed and the transformation stress which resulted from phase transformation was taken into account using the equivalent linear expansion coeffi

10、cient methodthe impact of materials non-1inear parameter on temperature field was consideredthe results show that the simulation result is identical with the measuring temperature according to the distribution of temperature field，the time of compressed air should be controlledthe ideal sorbite can

11、be gainedduring the process of calculating in numerical simulation，inputted the convective heat transfer coefficient under different wind pressure received the corresponding result of temperature field and stress filed，and analyzed the resultthis paper analyzed that calculated heating，keeping warm，f

12、orce cooling and air coolings temperature field and stress filed distribution in such different operating modesget the best heating, thermal insulation, cooling, natural air time and the result can be used to guide the quenching process designkey words：heavy rail， ，quenching，temperature field，stress

13、 filed，ansys目目 录录第一章 绪论.11.1 课题研究意义.11.2 影响重轨淬火技术的主要因素.21.3 重轨淬火数值模拟的国内外研究现状.21.4 研究内容.4第二章 重轨淬火温度场和应力场的理论基础.42.1 重轨淬火温度场理论基础.52.1.1 热传递方式.52.1.2 重轨淬火时定解条件.52.1.3 淬火时热传导初始条件.62.1.4 重轨淬火的边界条件.62.2 重轨淬火应力场理论基础.82.2.1 热弹性和热塑性问题.82.2.2 热弹塑性问题的求解.92.3 组织场求解理论基础.9第三章 重轨温度场和应力场 ansys 仿真过程.103.1 用 ansys 模拟分

14、析重轨温度场和应力场的方法.103.2 用 ansys 模拟分析重轨温度场和应力场的步骤.103.2.1 建立重轨的三维模型.103.2.2 确定重轨的各项材料参数及初始条件.113.2.3 ansys 仿真重轨温度场和应力场的基本步骤.11第四章 重轨淬火过程的温度场和应力场分析.194.1 研究不同压强下温度场和应力场的前提条件.194.2 不同压强下喷风温度场对比分析.194.3 不同压强下喷风应力场对比分析.22第五章 全文总结.245.1 论文研究结论.245.2 论文研究的不足及展望.25致 谢.26参考文献.27第一章第一章 绪论绪论1.1 课题课题研究意研究意义义淬火是机械零件

15、生产加工过程中的关键环节之一, 它涉及到传热学、金属相变动力学、化学、力学等多种学科. 淬火过程是一个温度、应力、相变相互影响的高度非线性问题, 在理论上对温度场、组织场、应力场耦合求解几乎是不可能的。近几年随着计算机技术、有限元技术、人工智能技术的发展, 使各国学者可根据淬火过程数学模型,利用有限元技术计算各场量, 再利用计算机图形学理论动态显示零件淬火过程中温度、组织、应力应变、残余应力及零件变形随时间变化的情况. 根据数值模拟的结果, 找出适合工艺要求的工艺参数, 并为实际生产过程提供参考或指导实际生产. 我国是一个以铁路运输为主的国家。随着我国经济的发展、铁路运力的提高和火车速度的提高

16、，对重轨性能的要求也在提高。无论是欧洲的传统型铁路，还是城市型铁路都要求重轨具有更高的硬度。由于硬度的普遍提高，重轨的脆性、韧性以及净度等问题又重新突出了，重轨在冷却不均匀的情况下，重轨内部的温度场变化情况不仅直接影响相变，而且对内应力也产生很大的影响。这些淬火过程出现的问题，可能会导致重轨轨头出现掉块、裂纹等现象，从而影响列车的正常运行、降低铁路的使用效率，甚至对列车的安全运行造成隐患。重轨淬火是提高其韧性和耐磨性的主要途径之一。实践证明，在重轨轨头使用淬火热处理的重轨不仅提高了重轨的强度和使用寿命，而且大大提高了安全使用性能。因此研究重轨内部的温度场和应力场对实际生产有重要意义。目前普遍采

17、用比较成熟的有限元法【1】求解控制方程来模拟淬火过程的变化所使用的有限元软件有ansys、marc、adina等，大多数的模拟结果都得到了实验测试数据的支持，取得了令人满意的效果。尽管如此，淬火过程仍存在很多问题需要解决，原因之一就是淬火是一个工件温度场、应力场、组织场及淬火介质流场耦合的过程，但是关于这一耦合过程尚缺乏成熟的定量的统一理论【2】。淬火处理的实质就是通过适度调整和控制淬火介质的流速、温度以调整和控制淬火试件的温度场、显微组织场和内应力(应变)场，使得试件获得所需要的组织、性能和较小的残余应力及残余形变。生产实践表明，淬火过程是热处理过程【3】中返修率最高和废品率最高的工序，是热

18、处理质量控制中最难掌握的环节，它涉及到试件的温度场、显微组织场和内应力(应变)场和介质的流场等，测量和理论分析难度都很大。淬火过程是一个各种场相互耦合的复杂过程，要在理论上求解各场量的解析解是非常困难的，甚至是不可能的。因此，淬火过程的深入研究对工程实际大有重要的指导意义，利用计算机进行数值模拟【4】有助于淬火工艺设计，便于选择合适的淬火工艺调整方案，可以大大减少试验量，具有一定的实用价值，已成为当今热处理领域的研究热点之一。1.2 影响重影响重轨轨淬火技淬火技术术的主要因素的主要因素重轨的淬火过程是个相当复杂的过程，一般有风冷、雾冷、水冷三种方式【5】。风冷具有温度和湿度常常是变化不定的特点

19、；雾冷的特点是导热性能不稳定和热能挥发出现紊流现象；水冷的特点是水不易挥发，状态不稳定，可能导致热处理不够或过度，喷水时间稍长就容易引起淬火部位出现马氏体组织，但是水的导热性能比雾气好。如果热处理不当，残余应力比较大，出现开裂现象，或者硬度不够。而工人师傅完全凭经验判断，于是产品质量不高或次品率较大，重轨生产效率大大降低。实践证明，采用压缩空气冷却可以克服上述缺点。因为压缩空气冷却喷风器不像喷雾器那样会发生阻塞，冷却速度基本恒定，对重轨表面状态不敏感，可以保证淬火质量。当工艺参数优选后，只要重轨含碳量大于07，使用压缩空气可以使奥氏体实现向索氏体的转变，并且能够保证热处理后的材质内部结构均匀。

20、淬火轨硬度可至合适并均匀一致。不会出现马氏体组织。目前国外除独联体外，日、美、澳等国均采用风淬。采用单一的介质风淬，工艺稳定，操作简便，确保了产品的优质性能。但是，冷却后的硬度值普遍偏低，且由于冷却时间过长，无法保证较高的生产率。对大断面的60kgm，75kgm淬火轨来说，仅仅采用风淬则无法达到对淬硬层深度的要求，而且有许多待改进之处，所以出现了“先喷风，后喷水的工艺。可是就是这种工艺也不是很完善的。主要的问题仍然是淬火重轨的硬度偏低。这是因为，一方面是对冷却介质的应用还存在着一定的片面性，另一方面是对冷却介质的应用在水平上还没有达到很深的层次上，甚至还停留在表面的层次上。1.3 重重轨轨淬火

21、数淬火数值值模模拟拟的国内外研究的国内外研究现现状状热处理的实质是使钢在固态范围内，通过加热、保温和快速冷却的方法，改变内部组织结构，从而改变其性能的一种工艺。在热处理过程中，试件内部会发生十分复杂的物理现象，如瞬态温度场的变化、组织的转变、力学性能的改变以及残余应力的产生等。这些物理现象也正是材料实现淬火硬化的主要依据。20世纪70年代以来，由于计算机技术的迅速发展，热处理过程的数值模拟也随之成为一个举世关注的研究领域。对于一些与热处理相关的学科，如数值计算方法、传热学、热应力理论、相变动力学、计算流体力学等在国内外都丌展了较为深入的研究，从而为热处理过程的计算机模拟和仿真技术的发展奠定了坚

22、实的基础。淬火过程的计算机模拟是热处理过程计算机模拟的重要组成部分。它能对试件的温度场、显微组织场和内应力场进行耦合计算，给出每一瞬间的温度场面、显微组织场和内应力场，并能直接地观察到各场量在淬火过程中的变化情况，这样就可以在节省大量的人力、物力、财务和时问的情况下对试件进行全面的分析，预测试件淬火后的组织性能，从而可对淬火工艺方案进行优化，使工艺更加高效合理。国外对淬火试件淬火数值模拟计算比较早，数值模拟研究始于70年代，。20世纪70年代初，当组织转变数值模拟提到日程上来时，就有两种描述组织转变过程的方法，即ttt曲线法和cct曲线法，为组织转变的数值模拟提供了两种途径。cct曲线法模拟的

23、难题后，ttt曲线在淬火试件显微组织场模拟中迅速得到推广。1978年瑞典学者计算了渗碳钢的淬火残余应力，在计算时使用了hidenwall最初用于根据等温转变的孕育期预测连续冷却时转变温度的叠加法则，将连续冷却离散成每一小时间段的阶梯冷却，借助虚拟时间的概念成功地解决了如何利用”盯曲线预测连续冷却过程组织转变量的问题。至20世经80年代初，已经编制了一批非稳态温度场的计算机程序；奥地利的对淬火过程进行了热弹塑性分析，并对比了等向强化和随动强化、ferrammerstor蠕变、相变塑性等对模拟结果的影响，结果发现相变塑性对应力影响较大，而蠕变影响较小可以忽略；日本的tinoue对淬火和回火过程进行

24、了持续、系统的物理模拟研究和数值模拟研究，他们开发出的热处理数值模拟软件“hearts可对中小型零件的水淬、渗碳淬火、感应淬火进行数值模拟，并得到实际测试结果的验证。法国的denis贝在马氏体淬火过程中的热力学分析和内应力计算过程中全面考虑了相变塑性和内应力对马氏体转变动力学的影响，描述了它们对残余应力的影响，并与实际测定的应力状态进行了对比。淬火过程的计算机模拟在我国发展较晚。20世纪80年代中期，上海重机厂等单位开始采用有限差分法，对大型轧辊淬火过程温度场进行了计算。尽管从数学模型、物性参数、换热系数等都进行了大量的简化，但是在计算结果的总体趋势还是非常有意义的。20世纪80年代末，清华大

25、学等单位采用有限单元法对大型轧辊和电机转子淬火过程的温度场、显微组织场及内应力场进行了模拟计算，并根据模拟计算结果对工艺提出了有益的改进意见。20世纪90年代以来，由于计算机处理能力的提高，温度场模拟计算中最难处的非线性问题正在逐步被解决。michael jcialkowsi、ndrzej frackowiak、nmalnajem、amosman、mmel-refaee、kmkhanafe【6】等人通过法研究了二维稳态热传导逆问题treffetz的求解方法。他们提出有限元和函数，用最小二乘法、边界元法【7】等不同方法估计了直角区域的表面温度、热流密度结果表明边界元法(bem)是解决逆问题的有效

26、方法。2009年，李公法, 屈海端, 杨金堂, 尹强, 龙华, 张小亮等人利用有限元分析软件对u71m n重轨轨头淬火过程中的应力场进行数值模拟【8】, 并对影响其分布的各种因素进行研究。结果表明, 准确选择淬火时加热、保温时间和风冷时的压强, 能显著降低轨头的淬火应力, 对u71mn重轨轨头热处理中相关参数的选择具有重要的指导意义。目前，对淬火试件内应力场的研究主要集中在淬火过程中试件的瞬态温度、相应、应力之间的耦合作用，其目的是能准确地反映出实际过程各场量的变化，较为准确地预测出淬火后试件内部组织、性能、应力和畸变。1.4 研究内容研究内容1 依据传热原理，建立重轨的三维模型，用有限元方法

27、研究重轨轨头在淬火过程中的温度场应力场分布；2. 研究不同的压强以及淬火喷风时间对重轨温度场、应力场的影响，找出最佳的淬火喷风压强；3. 结合热模拟实验，为实际生产的正常运行提供理论依据。第二章第二章 重重轨轨淬火温度淬火温度场场和和应应力力场场的理的理论论基基础础重轨淬火时，在重轨与淬火介质间不断换热的同时，重轨内存在温差和热传导，重轨内的组织、温度及应力分布不断发生变化。因此，为了研究并模拟重轨及重轨的淬火过程，就要研究重轨淬火时的热传导现象以及导热定解问题，分析重轨及材料的热物理性能参数，探索重轨淬火时导热问题的求解方法。2.1 重重轨轨淬火温度淬火温度场场理理论论基基础础2.1.1 热

28、传递热传递方式方式热传递方式【9】有热传导、热对流和热辐射三种。而本文研究的是不同压强下的喷风冷却的温度场和应力场，主要用到热传导和热对流两种方式，所以在下文中仅对这两种热传递方式做了简单介绍：1. 热传导热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循傅里叶定律【10】： （2.1）dxdtkqn 式（2.1）中，为热流密度（w/m2）；为导热系数（w/m）；负号表示热量nqk流向温度降低的方向。2. 热对流热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷

29、却方程来描述： （2.2）)(bsntthq式（2.2）中，为对流换热系数；为固体表面温度；为周围流体的温度。hstbt2.1.2 重重轨轨淬火淬火时时定解条件定解条件根据能量守恒定律和傅里叶定律，可以建立热传导问题的控制方程： （2.3）ttcqztkzytkyxtkxtzyx)()()(式（2.3）中，为材料的密度；为材料的比热；、分别为沿x、y、z方tcxkykzk向的热传导系数；q(x，y，z，t)为物体内部的热强度。热传导问题的控制方程描述了重轨内部发生导热现象时各点温度的变化规律，方程对于内部各节点都是普遍适用的。但满足导热微分方程的解是无限多的，微分方程的解即数学上所说的通解中必

30、定包含有待定的积分常数，要使这些待定常数唯一地确定下来，除了微分方程以外，还必须再附加若干对所求解的特定导热问题的自身特点和外部环境等情况的限定或者补充说明。这些附加的说明和限定条件即单值条件，数学上称为定解条件。对任何一个具体导热问题完整的数学描述，除了经适当选择的坐标下的导热微分方程以外，还必须同时给出相应的定解条件。对一般的导热问题而言，单值性条件【11】(定解条件)包括几何条件、物理条件、初始条件、边界条件等四个方面的内容。几何条件是指参与导热过程的重轨的几何尺度、形状。物理条件是指导热重轨的主要物理参数和物理特征。诸如有关的各项物性参数以及它们是否随温度变化，有没有内热源存在，是否均

31、匀分布等等。初始条件是指导热过程开始时刻重轨内的温度场。边界条件是指导热重轨在其边界面上与外部环境之间在热交换方面的联系或相互作用。因此，为了研究并模拟重轨热问题，就需要确定淬火工件的几何条件、重轨热物性参数、淬火工件和淬火介质的初始温度分布(初始条件)、淬火工件外表面与淬火介质之间的热交换情况(边界条件)等定解条件。2.1.3 淬火淬火时热传导时热传导初始条件初始条件重轨淬火时的初始条件包括重轨淬火前的初始温度分布情况(温度场)和淬火介质的初始温度均匀的，如锻件从室温装炉开始加热，或者加热到给定温度，长时间保温使工件内部均匀热透。此时一般认为重轨的初始温度场是完全均匀一致的，即有 (2.4)

32、00ttt初始温度场【12】也可以是不均匀的，但重轨各点温度值是已知的。此时 （2.5）)(00zyxttt、式（2.5）中，为已知温度函数。)(0zyxt、2.1.4 重重轨轨淬火的淬火的边边界条件界条件重轨淬火时的边界条件【13】是指淬火工件外表面与周围环境的热交换情况。对于非稳态导热，它常常是使导热过程得以发生和发展的外界驱动力。而对稳念导热来说，它是影响重轨内温度分布状态的外部条件。常见的边界条件有以下三类：（1）第一类边界条件，是指重轨边界条件边界上的温度或温度函数为已知。用公式表示为： （2.6）)(zyxttttss、或者式(2.6)中，下标s为重轨的边界条件范围；为已知的重轨表

33、面温度,为定值t()；为已知重轨的表面温度函数，随时间、位置的变化而变化。)(zyxt、（2）第二类边界条件，是指重轨表面上热流密度为已知，规定热流密度q的方向等同于边界法线n的方向，其表达式为q （2. ）、（或者zyxtqntqntss7）式（2.7）中，为已知重轨表面的热流密度，为定值()；q)/(2mw为己知重轨的热流密度函数，随位置、时间而变化。）、（zyxtq（3）第三类边界条件，又称牛顿边界条件，是指重轨与其相接触的流体介质间的热对流系数以和介质温度乃为已知。其表达式为 （2. )(ckstthnt8）为简化计算机编程，将上述三类边界条件统一为用第三类式子表达。当为第一类边界时，

34、取，为一极大值即可。ctt kh当为第二类边界时，最常用的是绝热边界，即，此时取= 0即0sntkh可。当为三类边界条件时，最常用的是对流系数和辐射混合的换热边界，其表达式为 )()(44cckstttthnt=)(cscktthtth）= )(ctth（2.9）式中，h 为总换热系数： skhhh为辐射换热系数：sh )(22ccstttth（2.10）式中温度值要用绝对温度表示；为 stefanboltzmann 常数，；为重轨表面的辐射率。)/(10768. 5428kmw工程问题中越来越多地出现非线性的辐射边界或自然对流边界，即导热重轨的表面与外界环境之间以辐射或者自然对流换热的方式相

35、联系。例如在高压气体淬火时，淬火介质是气态的，或在高真空环境中，边界上的辐射换热往往成为主导因素，或至少与对流方式并重。即使在线性换热边界条件中，当已知的温度、换热系数、热流密度等参数随着材料的物性参数、导热时间及材料中温度场的变化而发生变化时，线性换热边界条件就变为非线性换热边界条件。以往的研究结果表明，重轨及淬火时的换热边界条件是非线性的，主要是由淬火时相变的产生和淬火材料的物性参数随温度而变化等原因引起的。因此，要对淬火过程进行精确地数值模拟，需要准确确定特定问题的换热边界条件。2.2 重重轨轨淬火淬火应应力力场场理理论论基基础础2.2.1 热弹热弹性和性和热热塑性塑性问题问题对重轨淬火

36、时，由于温度变化剧烈，不仅会引起弹性变形，还会一起塑性变形。对重轨进行淬火处理的时候，引起应力的原因是温度分布不均，各节点的膨胀量不同，属于热弹性和热塑性问题【 【14】 】。 。材料进入塑性状态后而是物理非线性的。为了便于有限元计算，须做线性化处理。一般处理弹塑性问题采取如下的一些假设： 1)塑性变形不引起体积改变，即体积不变定律： （2.11）0321ppp式(211)中，分别表示三个主变形方向塑性应变分量。ppp321、根据体积不变定律，可导出塑性变形时的泊松系数为=0.5。2)重轨材料的屈服服从屈服准则。同时，还显示出各向同性强化。mises屈服准则为：当等效应力达到屈服极限时，材料开

37、始屈服。即：mises （2.12）s式(2.12)中，为等效应力，为屈服极限。s对于轴对称问题，为书写方便，用记四个，4321、zrr、z并写做 4321、（2.13）表示应力向量。这时等效应力表达式为 3)()()(2124213232221（2.14） 3)应变强化规律。从单向拉伸试验结果可以看出，对于大多数重轨材料，屈服后卸载或部分卸载，然后再加载，其屈服应力就会增加，这就是应变强化。在复杂应力状态下，设新的屈服应力只与卸载前的等效塑性应变总量有关，即只有当应力适合式时才会发生塑性变形。 （2.15）0)(pdh4)塑性区的行为服从流动法则。基于等效强化强化屈服准则基础上流mises动

38、法则，又称为塑性流动增量理论，其表达式为：reussprandtl pd （2.16）2.2.2 热弹热弹塑性塑性问题问题的求解的求解由于重轨淬火过程中，最大变形量约在 23左右，仍属于小变形范围，故在热弹塑性问题中的几何方程仍可沿用弹性问题的几何方程只是刚度矩阵，要以代替。具体表达式为：epded变分方程： （2.17） hrk刚度矩阵： （2.18） dvbdbkeepet热载荷向量： （2. dvdbretepeth19） 弹塑性矩阵当时的应力水平有关，故(2.17)式为非线性方程，求解时需线性化处理。常用的方法有增量变刚度法、初应力法、初应变法等。增量变刚度法的特点是将载荷分段逐步增加

39、，增加一次载荷，就会产生应力和应变增量和，只要增加载荷适当的小，则可近似认为在此计算步内 保持不变，则 epd（2.20） 成线性关系。当然，这样计算会有偏差，通常采用迭代法来提高计算精度。这种解法，每加载一次或迭代一次，刚度矩阵都要根据应力水平重新计算一次，故称这种方法为增量变刚度法。用增量变刚度法求解弹塑性问题时，不是在每一次加载后所有单元都处于弹性或塑性状态，实际上可能是下列三种状态并存：(1)单元处于弹性状态，称为弹性单元；(2)单元处于塑性状态，称为塑性单元；(3)单元在加载前处于弹性状态，加载后处于塑性状态，称为过渡单元。对于不同的单元，要作不同处理。2.3 组织场组织场求解理求解

40、理论论基基础础铁道部技术政策明确规定，凡50kgm及以上的重轨轨头要求全部淬火。淬火的过程就是奥氏体向珠光体转变的过程，使珠光体在较低的温度下转变，而得到强韧性和细片状珠光体(即索氏体)组织，不得出现马氏体、贝氏体有害组织，因此在淬火应力模拟计算中仅考虑索氏体(细珠光体)的相变。在每一个等温步长中，新相形成的体积百分数用等温相变动力学计算。珠光体和贝氏体的等温相变体积百分比按所提出的公式：mehljohnson （2.30）)exp(1knkktbvv为k相的体积百分含量；、仇为两个与温度有关的参数，它们可以从材kbkn料的等温相变图求得；k=1对应珠光体，k=2对应贝氏体。第三章第三章 重重

41、轨轨温度温度场场和和应应力力场场 ansys 仿真仿真过过程程3.1 用用 ansys 模模拟拟分析重分析重轨轨温度温度场场和和应应力力场场的方法的方法在整个模拟仿真过程中，可先用 pro/e 画出重轨的三维模型。再将重轨的三维模型导入 ansys 软件中。利用 ansys 软件，以已知的初始条件和边界条件，得到重轨的温度场仿真图。再运用热-结构耦合分析的方法，以温度作为求解应力的初始条件对有限元模型进行加载求解，可得到重轨的应力场仿真结果。3.2 用用 ansys 模模拟拟分析重分析重轨轨温度温度场场和和应应力力场场的步的步骤骤3.2.1 建立重建立重轨轨的三的三维维模型模型1.根据 gb（

42、t）68-1987 可查得国家标准规定的 50kg/m 重轨外形尺寸，如图3-1 所示. 图图 3-1 钢轨钢轨横截面横截面图图尺寸（尺寸（mm） ）2.用软件 pro/e 画出重轨的三维模型（如图 3-2），并以 iges 格式保存文件“zhonggui”。图图 3-2 重重轨轨的三的三维维模型模型图图3.2.2 确定重确定重轨轨的各的各项项材料参数及初始条件材料参数及初始条件1.查阅材料手册可得国家标准50kg/m重轨密度为7800kg /m3, 线膨胀系数1.18e-5。泊松比0.3，弹性模量220gpa,其余的主要物性参数见表1。 表表1 钢轨钢轨的物性参数的物性参数t/1002003

43、00400500600700 800900c/(jkg-1-1)478487505533579650772760623k/(wm-1-1)40.2437.6835.0832.9430.8428.862626.1624.882.具体的重轨淬火过程喷风冷吹初始条件：重轨冷喷前，表面温度为 900，淬火冷空气的温度 510，冷气的对流系数 100w/m2。3.2.3 ansys 仿真重仿真重轨轨温度温度场场和和应应力力场场的基本步的基本步骤骤1. 设置环境（设置工作目录，设置文件名，设置工作标题，设定分析模块）（1） 设置工作目录。在通用菜单中选择【file】-【change directory】命

44、令，弹出【change directory】对话框，选择自己的工作目录，单击【ok】按钮。（2） 设置文件名。在通用菜单中选择【file】-【change jobname】命令，弹出【change jobname】对话框，输入文件名 1-1（如图 3-3），单击【ok】按钮。（3） 设置工作标题。在通用菜单中选择【file】-【change title】命令，弹出【change title】对话框，输入文件名“zhonggui”（如图 3-4），单击【ok】按钮。（4） 设定分析模块。本文做的是对重轨的结构分析和热分析，所以只需要选择结构分析和热分析模块。在主菜单中选择【preferences

45、】命令，弹出设定分析模块对话框，勾选【structural】和【thermal】复选框（如图 3-5），然后单击【ok】按钮完成分析模块的选择。图图 3-3 设设置文件名置文件名图图 3-4 设设置工作置工作标题标题图图 3-5 设设定分析模定分析模块块2. 选择单元类型 在主菜单中选择【element type】-【add/edit/delete】，选择单元类型solid90，如图 3-6 所示。图图 3-6 选择单选择单元元类类型型3. 定义材料属性 定义材料的比热容为 623j/kg，导热系数为 25w/m,密度为 7800kg/m3。在主菜单中选择【preprocessor】-【mat

46、erial props】-【material model】命令，弹出材料属性定义对话框。选择【thermal】选项，分别双击【conductivity】、 【specific heat】和【density】，输入比热容、导热系数和密度值，最后结果如图 3-7。图图 3-7 定定义义材料属性材料属性4. 导入模型在通用菜单中选择【file】-【import】-【iges】命令，弹出选择文件的对话，选择 iges 格式的文件，然后单击【ok】按钮，导入重轨的三维模型（如图 3-8）。图图 3-8 导导入的模型入的模型5. 划分网格在主菜单中选择【preprocessor】-【meshing】-【m

47、esh tool】命令，弹出网格划分选择的对话框，如图 3-9 勾选各项。然后单击【ok】按钮，得到重轨的有限元模型（如图 3-10）。 图图 3-9 划分网格划分网格 图图 3-10 网格网格图图6. 施加边界条件（1） 设置分析类型。在主菜单中选择【solution】-【analysis type】-【new analysis】命令，在弹出的新分析对话框中选择分析类型为.单击【ok】按钮，在弹出的瞬态分析对话框中选中 full 单选键。单击【ok】按钮，完成分析类型的选择。（2） 设置重轨的初始温度。在主菜单中选择【solution】-【define loads】-【apply】-【ini

48、tial condit n】-【define】命令，在弹出的节点拾取对话框中，单击pick all 按钮后会立即弹出初始条件定义对话框。选择自由度为 temp，并设置初始温度为 900，如图 3-11 所示。单击【ok】按钮，完成初始温度的设置. （3）为重轨施加外界条件。在主菜单中选择【solution】-【define loads】-【apply】-【thermal】-【convection】-【on areas】命令，弹出节点拾取对话框。选中重轨表面节点,单击拾取对话框的 ok 按钮，此时弹出对流边界条件设置对话框，在其中 film coefficient 一栏输入 100，表明对流传热

49、系数为 100；在 bulk temperature 一栏输入 5，表明边界温度为 5 摄氏度，如图 3-12。单击 ok 按钮，对流边界条件施加于重轨表面图图 3-11 重重轨轨的初始温度的初始温度图图 3-12 施加外界条件施加外界条件7. 热分析求解（1） 设置时间和载荷步。在主菜单中选择【solution】-【load step opts】-【time/frequenc】-【time-time setup】命令，弹出时间设置对话框，在 time 一栏中输入本分析的最终时间 60，在时间步长一栏中输入步长时间 5；在加载方式单选按钮中选中 stepped 单选按钮，如图 3-13 所示。

50、单击 ok 按钮，完成时间和载荷步的设置。(2) 设置结果输出项。在主菜单中选择【solution】-【load step opts】-【output ctrls】-【db/results file】命令，弹出结果输出对话框。在 item 下拉列表中选择 all item 表明输出所有计算结果。同时在 freq 栏中选中 every substep 。单击 ok按钮，完成结果输出控制的设置。图图 3-13 时间时间和和载载荷步荷步（3）在主菜单中选择【solution】-【solve】-【current ls】命令，弹出求解确认对话框，单击 ok 按钮，求解开始。求解完毕后会弹出提示对话框。单

51、击提示对话框中的 ok 按钮，则求解结束。8.查看温度场分布在主菜单中选择【general postproc】-【read results】-【by pick】,在弹出的results file 对话框，选择时间为 30 的一项，再单击 read 按钮。在主菜单中选择【general postproc】-【plot results】-【contour plot】-【nodal solution】命令，在弹出的 contour nodal solution data 对话框中，选择【dof solution】-【nodal temperature】。单击 ok，则得到第 30s 时重轨温度场分布

52、图(如图 3-14)。图图 3-14 重重轨轨温度温度场场分布分布图图9.单元转换，添加材料模型（1） 将热单元转换为结构单元。在主菜单中选择【preferences】命令，弹出设定分析模块对话框，勾选【structural】复选框.单击【ok】按钮。在主菜单中选择【preferences】-【element type】-【switch elem type】命令，弹出单元转换对话框，在下拉菜单中选择【thermal to struc】选项（如图 3-15），单击【ok】按钮，完成热单元到结构单元转换。图图 3-15 单单元元转换转换（2） 为结构分析材料属性。线膨胀系数 1.18e-5，泊松比

53、 0.3，弹性模量220gpa。在主菜单中选择【preprocessor】-【material props】-【material model】命令，选择【structural】选项。选择【linear】-【elastic】-【isotropic】，如图 3-16 所示输入弹性模量和泊松比。再选择【thermal expansion】-【secant coefficient】- 【isotropic】,如图 3-17 所示输入线膨胀系数。 图图 3-16 弹弹性模量和泊松比性模量和泊松比 图图 3-17 线线膨膨胀胀系数系数10. 施加热载荷（1） 在通用菜单中选择【select】-【every

54、thing】命令，选取所有元素。（2） 施加温度载荷。在主菜单中选择【solution】-【define loads】-【apply】-【structural】-【temperature】-【from therm analy】命令，系统将弹出【apply temp from thermal analysis】对话框，单击【browse】按钮，弹出文件选择窗口，在工作目录中选择“1-1.rth”文件。完成选择后单击【ok】按钮。11. 求解，结构分析在主菜单中选择【solution】-【solve】-【current ls】命令，弹出求解确认对话框，单击 ok 按钮，求解开始。求解完毕后会弹出提

55、示对话框。单击提示对话框中的ok 按钮，则求解结束。12. 查看应力场分布在主菜单中选择【general postproc】-【plot results】-【contour plot】-【nodal solution】命令，在弹出的 contour nodal solution data 对话框中，选择【nodal solution】-【stress】-【von mises stress】，如图 3-18 所示。单击 ok，则得到重轨应力场分布图(如图 3-18)。图图 3-18 重重轨应轨应力力场场分布分布图图第四章第四章 重重轨轨淬火淬火过过程的温度程的温度场场和和应应力力场场分析分析4.

56、1 研究不同研究不同压强压强下温度下温度场场和和应应力力场场的前提条件的前提条件 重轨的表面换热系数决定重轨在冷淬过程中温度的变化，图 4-1 和 4-2 分别是重轨在 0.4 m pa 、0.8 m pa 冷气的条件下表面对流换热系数随重轨表面温度的变化情况。由此，可利用 ansys 软件模拟重轨在 0.4mpa、0.8 mpa 冷气的条件下的温度场和应力场情况，通过比较分析，出最佳的冷喷压强。 图图4-1 0.4mpa时时表面表面对对流流换热换热系数系数 图图4-2 0.8mpa时时表面表面对对流流换热换热系数系数4.2 不同不同压强压强下下喷风喷风温度温度场对场对比分析比分析 （1） 0

57、.4mpa喷风压力下的温度场分布图图4-3 0.4mpa气体淬火气体淬火时时t=30s的温度的温度场场图图4-4 0.4mpa气体淬火气体淬火时时t=45s的温度的温度场场图图4-5 0.4mpa气体淬火气体淬火时时t=60s的温度的温度场场 （2）0.8mpa喷风压力下的温度场分布 图图4-6 0.8mpa气体淬火气体淬火时时t=30s的温度的温度场场图图4-7 0.8mpa气体淬火气体淬火时时t=45s的温度的温度场场图图4-8 0.8mpa气体淬火气体淬火时时t=60s的温度的温度场场 从上面的这些ansys通用后处理器得到的结果图（4-3到4-8），可以得到0.4mpa时重轨在t=30

58、s、t=45s和t =60s的最小温度分别是874mpa、862mpa和851mpa, 0.8mpa时，分别是887mpa、881mpa和875 mpa。可以看出0.4mpa气体冷却能力比0.8mpa的强，在同样加热、保温、冷却时间相同条件下，前者温度下降的快。4.3 不同不同压强压强下下喷风应喷风应力力场对场对比分析比分析（1） 0.4mpa喷风压力下的温度场分布图图4-9 0.4mpa气体淬火气体淬火时时t=30s的的应应力力场场图图4-10 0.4mpa气体淬火气体淬火时时t=45s的的应应力力场场图图4-11 0.4mpa气体淬火气体淬火时时t=60s的的应应力力场场 （2）0.8mp

59、a喷风压力下的温度场分布图图4-12 0.8mpa气体淬火气体淬火时时t=30s的的应应力力场场图图4-13 0.8mpa气体淬火气体淬火时时t=45s的的应应力力场场图图4-14 0.8mpa气体淬火气体淬火时时t=60s的的应应力力场场由图4-9到4-14可以得到0.4mpa时重轨在t=30s、t=45s和t =60s的最大应力分别是4555mpa、8547mpa和6345mpa, 0.8mpa时，分别是4686mpa、8791mpa和6529 mpa。比较分析可得，用0.4mpa压强喷风冷却时，重轨残余的热应力更小。由4.2和4.3两节的重轨温度场和应力场ansys仿真结果可知，在相同的

60、加热时间和保温时间的条件下，0.4mpa压强喷风冷却比起0.8mpa，具有冷热快、残余应力小的优点，所以在实际生产的淬火冷却过程中更宜用0.4mpa的气体进行喷风冷却，这样会提高生产中的淬火效率。第五章第五章 全文全文总结总结5.1 论论文研究文研究结论结论本文主要以国家标准的重轨为研究对象，借助大型有限元软件ansys，对系统中复杂的重轨淬火瞬态温度场和应力场进行了有限元法的可视化研究。主要研究结论如下：(1) 根据传热学及有限元理论，建立了重轨淬火过程中的三维传热模型，模拟真实工况，施加特定的边界条件，并对多种喷风压力情况进行有限元分析。获得了不同的淬火温度值，并对比实际测试结果，验证了该