合金鋼圓柱體空冷溫度場(chǎng)模擬

合金鋼圓柱體空冷溫度場(chǎng)模擬摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，正火過程的計(jì)算機(jī)模擬越來越受到人們的重視，已成為當(dāng)今正火過程研究和正火工藝設(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。合金鋼熱處理直接影響著合金鋼材料組織和力學(xué)性能。本文采用ANSYS軟件通過創(chuàng)建幾何模型、劃分網(wǎng)格、加載求解等過程對(duì)20CrMnTi正火和空冷溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在合金鋼熱處理過程中，合金鋼壁厚不同，會(huì)影響正火溫度場(chǎng)分布，從而影響合金鋼的壽命和質(zhì)量。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，可以為合金鋼的變形、開裂等缺陷的預(yù)測(cè)提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：ANSYS分析基礎(chǔ)，正火工藝基礎(chǔ)，20CrMnTi正火分析Alloy steel cylinder air cooling temperature field simulationAbstract：With the rapid development of computer technology, the normalizing process computer simulation more and more get peoples attention, has become todays research and normalizing process is indispensable important method in the design of fire process. Computer simulation of heat treatment process with high speed, high efficiency, the image is clear and comprehensive reflection of the characteristics of various change law in the process of heat treatment. Combined with experimental study, can greatly expand the information provided by the measured data, complete experimental study hard cant even do that work .Alloy steel heat treatment directly affects the organization and mechanical properties of alloy steel materials. This article USES the ANSYS software by creating model geometry, mesh, load of the process of 20 crmnti is fire and air cooling temperature field was simulated. The experimental results show that in the process of alloy steel heat treatment, steel wall thickness is different, will affect the normalizing temperature field distribution, so as to affect the service life of alloy steel and quality. Through the analysis of simulation results, can for the prediction of the deformation, cracking and other defects of alloy steel. Keywords: ANSYS analysis foundation, normalizing process, 20 crmnti normalized analysis 目 錄1 緒論11.1問題的提出和研究意義11.2 研究現(xiàn)狀21.3 本文研究目的和研究內(nèi)容22 ANSYS軟件組成42.1 ANSYS簡介42.2 ANSYS軟件組成43 合金鋼加熱數(shù)值模擬過程83.1 模擬方案的確定83.2 數(shù)值模擬的內(nèi)容83.2.1 材料及參數(shù)的選擇93.2.2 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型93.2.3 網(wǎng)絡(luò)劃分103.2.4 施加載荷與求解113.2.5 后處理143.3 數(shù)值模擬結(jié)果討論204 合金鋼空冷數(shù)值模擬過程214.1 模擬方案的確定214.2 數(shù)值模擬的內(nèi)容214.2.1 材料及參數(shù)的選擇214.2.2 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型214.2.3 網(wǎng)絡(luò)劃分224.2.4施加載荷與求解234.2.5 后處理264.3 數(shù)值模擬結(jié)果討論32結(jié)論33參考文獻(xiàn)34致 謝35太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)1 緒論1.1問題的提出和研究意義（1）通過模擬20CrMnTi合金鋼加熱溫度場(chǎng)，確定加熱時(shí)間；通過模擬20CrMnTi合金鋼空冷溫度場(chǎng)，確定冷卻時(shí)間。（2）通過對(duì)20CrMnTi合金鋼溫度場(chǎng)分析 ，可以將載荷直接施加在節(jié)點(diǎn)或者單元上，簡單的選擇全部所需的節(jié)點(diǎn)或者單元，并指定適當(dāng)?shù)募s束。選取得到圓柱體體心點(diǎn)、棱上點(diǎn)、頂面圓心點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。（3）空冷后工件內(nèi)的應(yīng)力、變形和開裂都是由于工件加熱或冷卻時(shí)溫度不均勻而引起的。因此空冷過程數(shù)值模擬的第一步, 即為溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬; 溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果既是零件內(nèi)組織性能的預(yù)測(cè)依據(jù), 同時(shí)又作為輸入?yún)?shù)計(jì)算工件正火時(shí)的瞬時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變, 預(yù)測(cè)正火后工件內(nèi)部殘余應(yīng)力和變形開裂傾向1。1.2 研究現(xiàn)狀20CrMnTi是性能良好的滲碳鋼，淬透性較高，經(jīng)滲碳淬火后具有硬而耐磨的表面與堅(jiān)韌的心部，具有較高的低溫沖擊韌性，焊接性中等，正火后可切削性良好。用于制造截面30mm的承受高速、中等或重載荷、沖擊及摩擦的重要零件，如齒輪、齒圈、齒輪軸十字頭等2。是18CrMnTi的代用鋼，廣泛用作滲碳零件，在汽車.拖拉機(jī)工業(yè)用于截面在30mm以下，承受高速.中或重負(fù)荷以及受沖擊.摩擦的重要滲碳零件，如齒輪.軸.齒圈.齒輪軸.滑動(dòng)軸承的主軸.十字頭.爪形離合器.蝸桿等?；瘜W(xué)成分：碳C：0.170.23、硅Si：0.170.37 、錳Mn：0.801.10、鉻Cr：1.001.30、硫S：允許殘余含量0.035、磷P：允許殘余含量0.035、鎳Ni：允許殘余含量0.030、銅Cu：允許殘余含量0.030、鈦Ti：0.040.103力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度b (MPa)：1080(110)、屈服強(qiáng)度s (MPa)：835(85)、伸長率5 (%)：10、斷面收縮率 (%)：45 、沖擊功Akv (J)：55、沖擊韌性值kv (J/cm2)：69(7)、硬度：217HB、試樣毛坯尺寸為15mm、密度：7803 kg/m3、彈性模量:207GPa、泊松比:0.25、導(dǎo)熱率:1.2610-51/ 41.3 本文研究目的和研究內(nèi)容1）模擬20CrMnTi加熱過程時(shí)，一些時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布及圓柱體中心、表面圓心、邊緣處的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。如剛開始加熱時(shí)，20CrMnTi圓柱體的溫度場(chǎng)分布，加熱到需要溫度時(shí)的溫度場(chǎng)分布；圓柱體上這些特殊點(diǎn)在剛開始加熱，加熱中，加熱完成時(shí)的溫度變化關(guān)系。2）模擬20CrMnTi空冷過程時(shí)，一些時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布及圓柱體中心、表面圓心、邊緣處的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。如剛開始冷卻時(shí)，20CrMnTi圓柱體的溫度場(chǎng)分布，空冷至中期時(shí)以及空冷完成時(shí)的溫度場(chǎng)分布；圓柱體上這些特殊點(diǎn)在剛開始空冷，過程中，結(jié)束時(shí)的溫度變化關(guān)系。3）了解及分析20CrMnTi熱處理前后組織及力學(xué)性能的變化，做詳細(xì)的對(duì)比記錄，從而達(dá)到優(yōu)化零件熱加工工藝的目的。2 ANSYS軟件組成2.1 ANSYS簡介ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)。它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等,是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一5-7。2.2 ANSYS軟件組成軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。（1） 前處理模塊PREP7雙擊實(shí)用菜單中的“Preprocessor”，進(jìn)入ANSYS的前處理模塊。這個(gè)模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。實(shí)體建模:ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶定義一個(gè)模型的最高級(jí)圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序則自動(dòng)定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高級(jí)圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個(gè)實(shí)體模型。ANSYS程序提供了完整的布爾運(yùn)算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對(duì)線、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、延伸和拷貝實(shí)體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動(dòng)相交運(yùn)算、自動(dòng)倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動(dòng)、拷貝和刪除。自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶從最低級(jí)的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。網(wǎng)格劃分:ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對(duì)CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對(duì)復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對(duì)各個(gè)部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動(dòng)地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。（2） 求解模塊SOLUTION前處理階段完成建模以后，用戶可以在求解階段獲得分析結(jié)果。點(diǎn)擊快捷工具區(qū)的SAVE_DB將前處理模塊生成的模型存盤，退出Preprocessor，點(diǎn)擊實(shí)用菜單項(xiàng)中的Solution，進(jìn)入分析求解模塊。在該階段，用戶可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，然后開始有限元求解。ANSYS軟件提供的分析類型如下： 結(jié)構(gòu)靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。 結(jié)構(gòu)非線性分析結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。 動(dòng)力學(xué)分析ANSYS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。 熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱結(jié)構(gòu)耦合分析能力。 電磁場(chǎng)分析主要用于電磁場(chǎng)問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。 流體動(dòng)力學(xué)分析ANSYS流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對(duì)流換熱效應(yīng)。 聲場(chǎng)分析程序的聲學(xué)功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布，或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。 壓電分析用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì)AC（交流）、DC（直流）或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。（3） 后處理模塊POST1和POST26ANSYS軟件的后處理過程包括兩個(gè)部分：通用后處理模塊POST1和時(shí)間歷程后處理模塊POST26。通過友好的用戶界面，可以很容易獲得求解過程的計(jì)算結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行顯示。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。 通用后處理模塊POST1點(diǎn)擊實(shí)用菜單項(xiàng)中的“General Postproc”選項(xiàng)即可進(jìn)入通用后處理模塊。這個(gè)模塊對(duì)前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計(jì)算結(jié)果（如應(yīng)力）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值（如應(yīng)力值）。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)（如應(yīng)力范圍），清晰地反映了計(jì)算結(jié)果的區(qū)域分布情況。 時(shí)間歷程響應(yīng)后處理模塊POST26點(diǎn)擊實(shí)用菜單項(xiàng)中的TimeHist Postpro選項(xiàng)即可進(jìn)入時(shí)間歷程響應(yīng)后處理模塊。這個(gè)模塊用于檢查在一個(gè)時(shí)間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力或支反力。這些結(jié)果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個(gè)或多個(gè)變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。另外，POST26還可以進(jìn)行曲線的代數(shù)運(yùn)算8。3 合金鋼加熱數(shù)值模擬過程3.1 模擬方案的確定 本試驗(yàn)采用ANSYS14.0有限元分析軟件，對(duì)合金鋼圓柱體加熱過程進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬。模擬方案如下：第一步：建立工作文件名和工作標(biāo)題第二步：定義單元類型第三步：定義材料性能參數(shù)第四步：創(chuàng)建幾何模型，劃分網(wǎng)絡(luò)第五步：加載求解第六步：查看求解結(jié)果圖3.1 合金鋼圓柱體圖3.2 數(shù)值模擬的內(nèi)容3.2.1 材料及參數(shù)的選擇20CrMnTi的熱物性參數(shù)見表3.1表3.1 20CrMnTi的熱物性參數(shù)93.2.2 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型通過分析發(fā)現(xiàn)合金鋼圓柱體是一個(gè)軸對(duì)稱物體，可以取縱截面的四分之一為研究對(duì)象。（1）定義單元類型選擇Main Menu/Preprocessor/Element Type/Add/Edit/Delete命令，出現(xiàn)Element Types對(duì)話框，點(diǎn)擊Add，在Library of Element Types選擇Thermal Solid/Quad 4node55，點(diǎn)擊OK關(guān)閉對(duì)話框。點(diǎn)擊Options，出現(xiàn)PLANE55 element type options對(duì)話框，在Element behavior選項(xiàng)下選擇Axisymmetric，點(diǎn)擊OK關(guān)閉。（2）定義材料性能參數(shù)選擇Main Menu/Preprocessor/Material Props/Material Models命令，出現(xiàn)Define Material Model Behavior對(duì)話框。在Thermal下依次輸入材料密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)（20CrMnTi密度為7835 Kg/m3）。在Define Material Model Behavior對(duì)話框中選擇Material/Exit命令，關(guān)閉該對(duì)話框。(3)創(chuàng)建幾何模型選擇Main Menu/Preprocessor/Modeling/Create/Areas /Rectangle/By Dimensions命令，出現(xiàn)Create Rectangle By Dimensions對(duì)話框。參照?qǐng)D3.3進(jìn)行設(shè)置。圖3.3 生成矩形面對(duì)話框3.2.3 網(wǎng)絡(luò)劃分（1）選擇Main Menu/Preprocessor/Meshing/Size Cntrls/ManualSize/Global/Size命令，出現(xiàn)Global Elenent Sizes對(duì)話框，在SIZE Element edge lengths輸入框中輸入0.0005，單擊Ok鍵關(guān)閉該對(duì)話框。（2）選擇Main Menu/Preprocessor/Meshing/Mesh/Areas/free命令，出現(xiàn)Mesh Areas菜單，選擇生成的矩形面，單擊Ok按鈕關(guān)閉該菜單。（3）選擇Utility Menu/Plot/Elements命令，網(wǎng)絡(luò)劃分后的結(jié)果如圖3.4所示。圖3.4 網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果顯示3.2.4 施加載荷與求解（1）選擇Main Menu/Solution/Analysis Type/New Analysis命令，出現(xiàn)New Analysis對(duì)話框，選擇分析類型為Transient。單擊Ok按鈕，出現(xiàn)Transient Analysis對(duì)話框，在TRNOPTSolusion method單選框中選擇Full，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（2）選擇Main Menu/Solution/Analysis Type/Soln Controls命令，出現(xiàn)Solution Controls對(duì)話框，單擊Basic選項(xiàng)卡，參照?qǐng)D3.5對(duì)其設(shè)置；單擊Transient選項(xiàng)卡，參照?qǐng)D3.6對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK關(guān)閉對(duì)話框。圖3.5 求解控制基本選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框圖3.6 求解控制瞬態(tài)選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框（3）選擇Main Menu/Solution/Analysis Options命令，出現(xiàn)Full TransientAnalysis對(duì)話框。在EQSLVEquation solver下拉列表框中選擇JCG out-of-core選項(xiàng)，在TOFFSTTemperature difference輸入273。（4）選擇Main Menu/ Solution/Define Nodes/Apply/Thermal/Temperature/On/Nodes命令，出現(xiàn)Apply TEMP on Nodes菜單，按圖3.7進(jìn)行操作，完成后點(diǎn)擊OK，出現(xiàn)Apply TEMP on Nodes對(duì)話框，在VALI Film coefficient列表框中輸入10，在VAI2I Bulk temperature輸入框中輸入960，如圖3.8所示，單擊Ok按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖3.7 施加載荷示意圖圖3.8 載荷條件示意圖（5）選擇Main Menu/ Solution/Define Nodes/Apply/Thermal/Temperature/Uniform Temp命令。出現(xiàn)Uniform Temerature對(duì)話框輸入20，單擊OK關(guān)閉。（6）選擇Main Menu/ Solution/Load Step Opts/Time/Frequenc/Time-Time Step命令，出現(xiàn)Time and Time Step Options對(duì)話框，在DELTIM Time step size輸入框中輸入5，其他選項(xiàng)采用默認(rèn)設(shè)置，單擊Ok鍵關(guān)閉該菜單。（7）選擇Main Menu/Solution/Solve/Current LS命令出現(xiàn)/STATUS Command對(duì)話框和Solve Current Load Step對(duì)話框，關(guān)閉STATUS Command對(duì)話框，單擊Solve Current Load Step對(duì)話框上的Ok鍵，ANSYS開始求解計(jì)算。求解結(jié)束后將出現(xiàn)Note對(duì)話框，單擊其上的Close鍵關(guān)閉該對(duì)話框。3.2.5 后處理（1）選擇Main Menu/General Postproc/Read Results/Last Set命令。（2）選擇Main Menu/General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu命令，出現(xiàn)Contour Nodal Solusion Data對(duì)話框，選擇Nodal solusion/DOF solusion/temperature,單擊Ok鍵，ANSYS顯示窗口將顯示圓柱體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布等值線圖。圖3.9 20CrMnTi 圓柱體加熱170s溫度場(chǎng)分布圖圖3.10 20CrMnTi圓柱體加熱1070s溫度場(chǎng)分布圖圖3.11 20CrMnTi 圓柱體加熱2070s溫度場(chǎng)分布圖圖3.12 20CrMnTi圓柱體加熱4070s溫度場(chǎng)分布圖圖3.13 20CrMnTi 圓柱體加熱24070s溫度場(chǎng)分布圖（3）選擇Main Menu/TimeHist Postpro/Define Variables命令，出現(xiàn)Defined Time-History Variables對(duì)話框。（4）單擊其上的Add按鈕，出現(xiàn)Add Time History Variables對(duì)話框,選擇Nodal DOF result,單擊其上的Ok鍵，出現(xiàn)Define Nodal Data菜單，用鼠標(biāo)拾取體心點(diǎn)，單擊Ok鍵，出現(xiàn)Define Nodal Data對(duì)話框，采用其默認(rèn)設(shè)置，單擊Ok鍵關(guān)閉該對(duì)話框，重復(fù)以上操作，分別拾取棱點(diǎn)、頂面心點(diǎn)。單擊Graph Data分別出現(xiàn)體心、棱點(diǎn)、面心溫度隨時(shí)間變化圖。圖3.14 20CrMnTi圓柱體加熱時(shí)體心溫度隨時(shí)間變化圖圖3.15 20CrMnTi 圓柱體加熱時(shí)棱上點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖圖3.16 20CrMnTi 圓柱體加熱時(shí)頂面圓心溫度隨時(shí)間變化圖圖3.17 20CrMnTi 圓柱體加熱120s時(shí)特殊點(diǎn)對(duì)比圖 (5)選擇Utility Menu/Style/Graphs/Modify Axes命令，出現(xiàn)Axes Modifications for Graph Plots對(duì)話框，在/AXLAB X-axis label輸入框中輸入TIME,(sec),在/AXLAB Y-axis label輸入框中輸入TEMPERATURE,單擊Ok鍵關(guān)閉該對(duì)話框。3.3 數(shù)值模擬結(jié)果討論由設(shè)定的求解條件可以得到20CrMnTi合金鋼圓柱體加熱過程42000s內(nèi)圓柱體各部分的溫度分布，并可以模擬特殊點(diǎn)溫度場(chǎng)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過程10。從圖3.9到圖3.13可以發(fā)現(xiàn)加熱開始時(shí)溫度變化較快，到4070s后溫度變化較慢，最低溫度與最高溫度差很小，到24070s時(shí)基本上到了終止溫度。從圖3.14到圖3.16發(fā)現(xiàn)體心溫度、棱上點(diǎn)溫度、頂面圓心溫度變化區(qū)別很小，將其時(shí)間變化范圍縮小到120s時(shí)（即為圖3.17所示）可以看出棱上點(diǎn)溫度變化最快，其次是頂面圓心，變化最小是體心溫度。4 合金鋼空冷數(shù)值模擬過程4.1 模擬方案的確定 本試驗(yàn)采用ANSYS14.0有限元分析軟件，對(duì)合金鋼圓柱體空冷過程進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬。模擬方案如下：第一步：建立工作文件名和工作標(biāo)題第二步：定義單元類型第三步：定義材料性能參數(shù)第四步：創(chuàng)建幾何模型，劃分網(wǎng)絡(luò)第五步：加載求解第六步：查看求解結(jié)果4.2 數(shù)值模擬的內(nèi)容4.2.1 材料及參數(shù)的選擇20CrMnTi的熱物性參數(shù)見表4.1表4.1 20CrMnTi的熱物性參數(shù)94.2.2 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型通過分析發(fā)現(xiàn)合金鋼圓柱體是一個(gè)軸對(duì)稱物體，可以取縱截面的四分之一為研究對(duì)象。（1）定義單元類型選擇Main Menu/Preprocessor/Element Type/Add/Edit/Delete命令，出現(xiàn)Element Types對(duì)話框，點(diǎn)擊Add，在Library of Element Types選擇Thermal Solid/Quad 4node55，點(diǎn)擊OK關(guān)閉對(duì)話框。點(diǎn)擊Options，出現(xiàn)PLANE55 element type options對(duì)話框，在Element behavior選項(xiàng)下選擇Axisymmetric，點(diǎn)擊OK關(guān)閉。（2）定義材料性能參數(shù)選擇Main Menu/Preprocessor/Material Props/Material Models命令，出現(xiàn)Define Material Model Behavior對(duì)話框。在Thermal下依次輸入材料密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)（20CrMnTi密度為7835 Kg/m3）。在Define Material Model Behavior對(duì)話框中選擇Material/Exit命令，關(guān)閉該對(duì)話框。(3)創(chuàng)建幾何模型選擇Main Menu/Preprocessor/Modeling/Create/Areas /Rectangle/By Dimensions命令，出現(xiàn)Create Rectangle By Dimensions對(duì)話框。參照?qǐng)D4.1進(jìn)行設(shè)置。圖4.1 生成矩形面對(duì)話框4.2.3 網(wǎng)絡(luò)劃分（1）選擇Main Menu/Preprocessor/Meshing/Size Cntrls/ManualSize/Global/Size命令，出現(xiàn)Global Elenent Sizes對(duì)話框，在SIZE Element edge lengths輸入框中輸入0.0005，單擊Ok鍵關(guān)閉該對(duì)話框。（2）選擇Main Menu/Preprocessor/Meshing/Mesh/Areas/free命令，出現(xiàn)Mesh Areas菜單，選擇生成的矩形面，單擊Ok按鈕關(guān)閉該菜單。（3）選擇Utility Menu/Plot/Elements命令，網(wǎng)絡(luò)劃分后的結(jié)果如圖4.2所示。圖4.2 網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果顯示4.2.4施加載荷與求解（1）選擇Main Menu/Solution/Analysis Type/New Analysis命令，出現(xiàn)New Analysis對(duì)話框，選擇分析類型為Transient。單擊Ok按鈕，出現(xiàn)Transient Analysis對(duì)話框，在TRNOPTSolusion method單選框中選擇Full，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（2）選擇Main Menu/Solution/Analysis Type/Soln Controls命令，出現(xiàn)Solution Controls對(duì)話框，單擊Basic選項(xiàng)卡，參照?qǐng)D4.3對(duì)其設(shè)置；單擊Transient選項(xiàng)卡，參照?qǐng)D4.4對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK關(guān)閉對(duì)話框。圖4.3 求解控制基本選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框圖4.4 求解控制瞬態(tài)選行設(shè)置對(duì)話框（3）選擇Main Menu/Solution/Analysis Options命令，出現(xiàn)Full TransientAnalysis對(duì)話框。在EQSLVEquation solver下拉列表框中選擇JCG out-of-core選項(xiàng)，在TOFFSTTemperature difference輸入273。（4）選擇Main Menu/ Solution/Define Nodes/Apply/Thermal/Temperature/On/Nodes命令，出現(xiàn)Apply TEMP on Nodes菜單，按圖4.5進(jìn)行操作，完成后點(diǎn)擊OK，出現(xiàn)Apply TEMP on Nodes對(duì)話框，在VALI Film coefficient列表框中輸入10，在VAI2I Bulk temperature輸入框中輸入20，單擊Ok按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖4.5 施加載荷示意圖（5）選擇Main Menu/ Solution/Define Nodes/Apply/Thermal/Temperature/Uniform Temp命令。出現(xiàn)Uniform Temerature對(duì)話框輸入960，單擊OK關(guān)閉。（6）選擇Main Menu/ Solution/Load Step Opts/Time/Frequenc/Time-Time Step命令，出現(xiàn)Time and Time Step Options對(duì)話框，在DELTIM Time step size輸入框中輸入5，其他選項(xiàng)采用默認(rèn)設(shè)置，單擊Ok鍵關(guān)閉該菜單。（7）選擇Main Menu/Solution/Solve/Current LS命令出現(xiàn)/STATUS Command對(duì)話框和Solve Current Load Step對(duì)話框，關(guān)閉STATUS Command對(duì)話框，單擊Solve Current Load Step對(duì)話框上的Ok鍵，ANSYS開始求解計(jì)算。求解結(jié)束后將出現(xiàn)Note對(duì)話框，單擊其上的Close鍵關(guān)閉該對(duì)話框。4.2.5 后處理（1）選擇Main Menu/General Postproc/Read Results/Last Set命令。（2）選擇Main Menu/General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu命令，出現(xiàn)Contour Nodal Solusion Data對(duì)話框，選擇Nodal solusion/DOF solusion/temperature,單擊Ok鍵，ANSYS顯示窗口將顯示圓柱體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布等值線圖。圖4.6 20CrMnTi圓柱體空冷205s溫度場(chǎng)分布圖圖4.7 20CrMnTi圓柱體空冷1015s溫度場(chǎng)分布圖圖4.8 20CrMnTi圓柱體空冷4015s溫度場(chǎng)分布圖圖4.9 20CrMnTi圓柱體空冷8125s溫度場(chǎng)分布圖圖4.10 20CrMnTi圓柱體空冷16015s溫度場(chǎng)分布圖（3）選擇Main Menu/TimeHist Postpro/Define Variables命令，出現(xiàn)Defined Time-History Variables對(duì)話框。（4）單擊其上的Add按鈕，出現(xiàn)Add Time History Variables對(duì)話框,選擇Nodal DOF result,單擊其上的Ok鍵，出現(xiàn)Define Nodal Data菜單，用鼠標(biāo)拾取體心點(diǎn)，單擊Ok鍵，出現(xiàn)Define Nodal Data對(duì)話框，采用其默認(rèn)設(shè)置，單擊Ok鍵關(guān)閉該對(duì)話框，重復(fù)以上操作，分別拾取棱點(diǎn)、頂面心點(diǎn)。單擊Graph Data分別出現(xiàn)體心、棱點(diǎn)、面心溫度隨時(shí)間變化圖。圖4.11 20CrMnTi 圓柱體空冷時(shí)體心溫度隨時(shí)間變化圖圖4.12 20CrMnTi 圓柱體空冷時(shí)棱上點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖圖4.13 20CrMnTi 圓柱體空冷時(shí)頂面圓心溫度隨時(shí)間變化圖圖4.14 20CrMnTi 圓柱體空冷120s時(shí)特殊點(diǎn)對(duì)比圖(5)選擇Utility Menu/Style/Graphs/Modify Axes命令，出現(xiàn)Axes Modifications for Graph Plots對(duì)話框，在/AXLAB X-axis label輸入框中輸入TIME,(sec),在/AXLAB Y-axis label輸入框中輸入TEMPERATURE,單擊Ok鍵關(guān)閉該對(duì)話框。4.3 數(shù)值模擬結(jié)果討論由設(shè)定的求解條件可以得到20CrMnTi合金鋼圓柱體空冷過程42000s內(nèi)圓柱體各部分的溫度分布，并可以模