ABAQUS软件淬火残余应力分析的有限元建模

1、ABAQU软件淬火残余应力分析的有限元建模根据航空框粱构件的结梅特点.利曲PROE三维離型软件进行了设计构件儿何模型见2-6,构什外形尺寸的为540090000mm2-6樞遽构件兀何揍空构件金最大投燈面上的结构特社主要由宜线段勺圏弧段绢成*局部结构如图2-7所旅*(直烦眩单元网格构件在PROE中造型完成后，保存成后缀名为sat的中性格式文件，然后导入到ABAQUS有限元软件中.将构件导入有限元软件后，需要对导入的几何模型按一定规则划分网格.由于构件结构不规則，采用自由化网格方法对将儿何模型划分为若干四面体网格.完成后的网格模型如图28所示.(a)直线段网格(b)图28构件有限元网烙为了提髙计算

2、结果精度在构件尺寸发生突变的地方如列角等处进行网格细化.如图29所示細化网恪图29细化网裕ABAQUS软件进行淬火过程何限元模拟需耍进行两个分析，第一个分析为热传导分析，第二个为热应力分析。前者可以求得淬火过程中工件的温度场变化,后右将前占的分析结果作为初始条件，町以求徇淬火过程中构件的应力应变场。因此，两个分析Z间存在着结果传递的何题，为了保证热传导分析的结果可以顺利准确得传递给热应力分析，需要保持同后两个分析构件的网格节点不能发生变化。同时，由于两个分析的类型不同，因此緡要的有限元网矗类型也是不同的，热传导分析网格类型设胃为HeatTransfer单元，即ABAQUS中的DC3D4单元;热

3、应力分析网格类型设置为3DStress单元，即ABAQUS中的C3D4单元.淬火工艺边界条件的建立实际生产中，固溶温度、淬火温度、淬火介质及转移时间等是垂宴的淬火工艺参数，影响了淬火的最终结果.在建立淬火过程冇限元模型的时候要考虑如何适当得建立起这些工艺鑫数的边界条件.(1) 固溶温度构件淬火前需要在加热炉中加热至固溶温度并保温一定时间，淬火开始前可以认为构件内部均温.因此.固溶温度这一工艺参数反映在有限元模型中即为模型的初始温度.(2) 淬火温度淬火时构件外表面与周田淬火介质发生热交换，使得淬火介质的温度有所升高.但实际淬火过程中，淬火介质足够务，使得其温升幅度很小.为了抓住问题的主要矛盾同

4、时减少不必要的计算最，建立这一工艺参数的有限元边界时假设淬火温度恒定不变.(3) 淬火介质淬火介质足实际淬火中很重耍的一项工艺不同的淬火介质其冷却庞力也不同.淬火过稗中工件的温度场变化恰况也不同，宜接越响了工件用终的性能.工件淬火时麦面与周闺介质发生对流换热，淬火介质的冷却德力M通过热流密度，即单位时间流过单位面积的热最多少来表示.如果以数学公式表示即q=h(T-TJ(2-12)其中：？为热流密度：为对流换热系数；7为工件表面温度；7；为淬火温度；淬火温度认为恒定不变，因此决定热流密度大小的因子为人与7。而对流换热系数随着温度的变化而变化所以淬火介质的不同反映为工件衷面与介质对流换热系数的不同

5、因此如果找到工件在不同介质中淬火时对流換热系数随着工件温度的变化情况，便可据此建立淬火介质的有限元边界条件.本文研究7085铝合金在水基介质中淬火时残余应力大小与分布情况.因此需要知道材料与水的对流换热系数现有资料及文献尚无针对7085对涼换热的专门性研究，爲要开展特别设计的试验来测定这一鑒数人小，但对流换热系数受各种因素干扰很大，尚无相关标准规范指导试验.再虑本文研究的逐点，为了抓住主要问题，选取相近牌号铝合金在不同温度下与水的对流换热系数卩可（如表2J所示），以此建立有限元边界条件.表2-3对液換拔系做温度（°C）换热系数de、20250050266075350010050001

6、50100002001385725013857300100004003000500700（4）转移时间转移时间是指淬火构件从加热炉中取出至完全浸入淬火介质中所需的时间.构件在转移过程中与空气进行了热交换因此这一淬火工艺的有限元边界可通过设買在转移时间内构件左面与周围空气进行了对流换热来实现，铝合金与空气的对流换热系数取为200W/卅淬火过程中，构件不仅与淬火介质和空气发生了热交换，同时自身也发生了热量的传递。如果说换热系数、固溶温度及转移时间尊工艺参数衡良了构件与外界换热能力的大小，那么依据淬火温度场计算的数学模型，构件自身的热传导系数、密度以及比热容则形响了自身的热传递.参考相近牌号铝合金选

7、取7085铝合金的相关热物性参数如表24所示【小表24材啊热物杖扣korcKfWclJkg“C'p/kgmy20114.8835.42800100128.48972800150135.791632800200142.29742800300152.71012.52800400160.81128.02800500166.71205.02800位移边界条件的区立位移边界条件在有限元模型中是需整仔细考虑的因素，尤其是在涉及到应力分析的模型中更是如此.既要傲到约束工件的刚体位移，又不能限制工件的自由变形.本文利用ABAQUS软件对淬火过程进行数值模拟，需要做两个分析，首先是热传导分析，其次是热应

8、力分析。热传导分析主要是计谆温度场，不存在应力及变形的计算.因此可不约束工件的位移边界.但进行热应力分析时，将计算工件淬火产生的变形及应力.如果不约束其刚体位移，工件在内应力的作用下将发生无限制的刚体位移，最终导致计算因无法收敛而失败.若施加的约束过多，将限制工件因冷却收缩产生的自由变形，导致凤终结果不真实。为了解决这一问题，针对构件的结构特点，如图210所示分别约束T件上三点在不同方向的自由度。A点约XYZ三个方向的平动自由度，B点约束壬戸两个方向的平动自由度，这样保证了工件在宽度方向可保持自由变形C点仅约束沪一个方向的自由度，保证了工件在长度方向上的自由变形.同时三个点选在同一个面上.既约

9、束了工件的刚体位移又保证了工件在耳度方向的自宙变形.工件在三个方向的自由变形均不受到限制.图2J0位移边界施旅示意图2.4.5分析步的设定对丁大里的通用有限元软件，可以分析的实际问题有很多种，使用者需要进行相关参数的选择以告诉ABAQUS进行哪一类问题的计算这甲:就涉及到一个求解榕的设定问题。因此需變针对所要分析的何题类塑对分析步类型，步长及迭代算法等进行设定.对于热传导分析，届于传热计算，因此可用ABAQUS中的heattransfer分析步，步长时间应等于实际淬火工艺中转移时间与淬火时间之和，选用完全牛顿迭代算法进行收敛计算。对于热应力分析，属于稳念静力分析，可用静念通用分析步(General,Static)计算，步长时间无特别要求，ABAQUS会根据热传导分析计算结果自动进疔匹配插值，迭代算法与热传导分析相同。2.5本章小结本章借助ABAQUS何限元仿其平台，依据传热学及热艸塑性学理论建立了7085铝合金框梁构件淬火过程的有限元模型，主耍工作如下：(1)开展了7085铝合金力学性能测