基于ANSYS的重軌淬火溫度場和應(yīng)力場仿真分析畢業(yè)論文設(shè)計

1、本科畢業(yè)論文（設(shè)計）本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 論文題目：基于論文題目：基于 ansys 的重軌淬火溫度場和的重軌淬火溫度場和 應(yīng)應(yīng) 力場仿真分析力場仿真分析 基于基于 ansys 的重軌淬火溫度場和應(yīng)力場仿真分析的重軌淬火溫度場和應(yīng)力場仿真分析 摘摘 要要 本文以規(guī)格為50kgm的重軌為研究對象，通過綜合考慮材料熱物性參數(shù) 隨溫度的非線性變化、熱傳導(dǎo)及高壓氣體冷卻等動態(tài)邊界條件，運用ansys軟 件，采用有限單元法，建立了淬火重軌的瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場的三維模型。通 過ansya軟件仿真淬火重軌各個時間段的溫度場。根據(jù)重軌溫度場的變化規(guī)律， 選擇合理的噴風(fēng)壓強，最終得到理想的索氏體組織。 在數(shù)值模擬

2、計算的過程中，輸入在不同的噴風(fēng)壓力下的對流換熱系數(shù)，得 到相應(yīng)的溫度場和應(yīng)力場結(jié)果，并對結(jié)果進行了分析。計算了強制冷卻、空氣 自然對流等淬火過程的溫度場和應(yīng)力場分布情況，分析淬火時間對溫度場和應(yīng) 力場的影響。得到最佳的噴風(fēng)冷卻時壓強，從而為實際生產(chǎn)制定合理的重軌淬 火工藝提供了依據(jù)。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：重軌，淬火，溫度場，應(yīng)力場，重軌，淬火，溫度場，應(yīng)力場，ansys simulation of quenching temperature field and stress field for heavy rail based on the ansys abstract the specificat

3、ion of 50kgmheavy rail was taken 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 e

4、quivalent linear expansion coefficient 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

5、 controlledthe ideal sorbite can be gained during 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

6、 calculated heating，keeping warm，force 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 design key words：heavy rail，q

7、uenching，temperature field，stress filed，ansys 目目 錄錄 第一章 緒論.1 1.1 課題研究意義.1 1.2 影響重軌淬火技術(shù)的主要因素.2 1.3 重軌淬火數(shù)值模擬的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.2 1.4 研究內(nèi)容.4 第二章 重軌淬火溫度場和應(yīng)力場的理論基礎(chǔ).4 2.1 重軌淬火溫度場理論基礎(chǔ).5 2.1.1 熱傳遞方式 .5 2.1.2 重軌淬火時定解條件 .5 2.1.3 淬火時熱傳導(dǎo)初始條件 .6 2.1.4 重軌淬火的邊界條件 .6 2.2 重軌淬火應(yīng)力場理論基礎(chǔ).8 2.2.1 熱彈性和熱塑性問題 .8 2.2.2 熱彈塑性問題的求解 .9 2.

8、3 組織場求解理論基礎(chǔ).9 第三章 重軌溫度場和應(yīng)力場 ansys 仿真過程 .10 3.1 用 ansys 模擬分析重軌溫度場和應(yīng)力場的方法 .10 3.2 用 ansys 模擬分析重軌溫度場和應(yīng)力場的步驟 .10 3.2.1 建立重軌的三維模型 .10 3.2.2 確定重軌的各項材料參數(shù)及初始條件 .11 3.2.3 ansys 仿真重軌溫度場和應(yīng)力場的基本步驟 .11 第四章 重軌淬火過程的溫度場和應(yīng)力場分析.19 4.1 研究不同壓強下溫度場和應(yīng)力場的前提條件.19 4.2 不同壓強下噴風(fēng)溫度場對比分析.19 4.3 不同壓強下噴風(fēng)應(yīng)力場對比分析.22 第五章 全文總結(jié).24 5.1

9、論文研究結(jié)論.24 5.2 論文研究的不足及展望.25 致 謝.26 參考文獻.27 第一章第一章 緒論緒論 1.1 課題研究意義課題研究意義 淬火是機械零件生產(chǎn)加工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一, 它涉及到傳熱學(xué)、金屬 相變動力學(xué)、化學(xué)、力學(xué)等多種學(xué)科. 淬火過程是一個溫度、應(yīng)力、相變相互 影響的高度非線性問題, 在理論上對溫度場、組織場、應(yīng)力場耦合求解幾乎是 不可能的。 近幾年隨著計算機技術(shù)、有限元技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展, 使各國學(xué)者 可根據(jù)淬火過程數(shù)學(xué)模型,利用有限元技術(shù)計算各場量, 再利用計算機圖形學(xué)理 論動態(tài)顯示零件淬火過程中溫度、組織、應(yīng)力應(yīng)變、殘余應(yīng)力及零件變形隨時 間變化的情況. 根據(jù)

10、數(shù)值模擬的結(jié)果, 找出適合工藝要求的工藝參數(shù), 并為實際 生產(chǎn)過程提供參考或指導(dǎo)實際生產(chǎn). 我國是一個以鐵路運輸為主的國家。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展、鐵路運力的提 高和火車速度的提高，對重軌性能的要求也在提高。無論是歐洲的傳統(tǒng)型鐵路， 還是城市型鐵路都要求重軌具有更高的硬度。由于硬度的普遍提高，重軌的脆 性、韌性以及凈度等問題又重新突出了，重軌在冷卻不均勻的情況下，重軌內(nèi) 部的溫度場變化情況不僅直接影響相變，而且對內(nèi)應(yīng)力也產(chǎn)生很大的影響。這 些淬火過程出現(xiàn)的問題，可能會導(dǎo)致重軌軌頭出現(xiàn)掉塊、裂紋等現(xiàn)象，從而影 響列車的正常運行、降低鐵路的使用效率，甚至對列車的安全運行造成隱患。 重軌淬火是提高其韌性

11、和耐磨性的主要途徑之一。實踐證明，在重軌軌頭 使用淬火熱處理的重軌不僅提高了重軌的強度和使用壽命，而且大大提高了安 全使用性能。因此研究重軌內(nèi)部的溫度場和應(yīng)力場對實際生產(chǎn)有重要意義。 目前普遍采用比較成熟的有限元法【1】求解控制方程來模擬淬火過程的變 化所使用的有限元軟件有ansys、marc、adina等，大多數(shù)的模擬結(jié)果都 得到了實驗測試數(shù)據(jù)的支持，取得了令人滿意的效果。 盡管如此，淬火過程仍存在很多問題需要解決，原因之一就是淬火是一個 工件溫度場、應(yīng)力場、組織場及淬火介質(zhì)流場耦合的過程，但是關(guān)于這一耦合 過程尚缺乏成熟的定量的統(tǒng)一理論【2】。 淬火處理的實質(zhì)就是通過適度調(diào)整和控制淬火介質(zhì)

12、的流速、溫度以調(diào)整和 控制淬火試件的溫度場、顯微組織場和內(nèi)應(yīng)力(應(yīng)變)場，使得試件獲得所需要 的組織、性能和較小的殘余應(yīng)力及殘余形變。生產(chǎn)實踐表明，淬火過程是熱處 理過程【3】中返修率最高和廢品率最高的工序，是熱處理質(zhì)量控制中最難掌握 的環(huán)節(jié)，它涉及到試件的溫度場、顯微組織場和內(nèi)應(yīng)力(應(yīng)變)場和介質(zhì)的流場 等，測量和理論分析難度都很大。淬火過程是一個各種場相互耦合的復(fù)雜過程， 要在理論上求解各場量的解析解是非常困難的，甚至是不可能的。因此，淬火 過程的深入研究對工程實際大有重要的指導(dǎo)意義，利用計算機進行數(shù)值模擬【4】有 助于淬火工藝設(shè)計，便于選擇合適的淬火工藝調(diào)整方案，可以大大減少試驗量， 具

13、有一定的實用價值，已成為當(dāng)今熱處理領(lǐng)域的研究熱點之一。 1.2 影響重軌淬火技術(shù)的主要因素影響重軌淬火技術(shù)的主要因素 重軌的淬火過程是個相當(dāng)復(fù)雜的過程，一般有風(fēng)冷、霧冷、水冷三種方式【5】。 風(fēng)冷具有溫度和濕度常常是變化不定的特點；霧冷的特點是導(dǎo)熱性能不穩(wěn)定和 熱能揮發(fā)出現(xiàn)紊流現(xiàn)象；水冷的特點是水不易揮發(fā)，狀態(tài)不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致熱 處理不夠或過度，噴水時間稍長就容易引起淬火部位出現(xiàn)馬氏體組織，但是水 的導(dǎo)熱性能比霧氣好。如果熱處理不當(dāng)，殘余應(yīng)力比較大，出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，或 者硬度不夠。而工人師傅完全憑經(jīng)驗判斷，于是產(chǎn)品質(zhì)量不高或次品率較大， 重軌生產(chǎn)效率大大降低。 實踐證明，采用壓縮空氣冷卻可以克服

14、上述缺點。因為壓縮空氣冷卻噴風(fēng) 器不像噴霧器那樣會發(fā)生阻塞，冷卻速度基本恒定，對重軌表面狀態(tài)不敏感， 可以保證淬火質(zhì)量。當(dāng)工藝參數(shù)優(yōu)選后，只要重軌含碳量大于07，使用壓 縮空氣可以使奧氏體實現(xiàn)向索氏體的轉(zhuǎn)變，并且能夠保證熱處理后的材質(zhì)內(nèi)部 結(jié)構(gòu)均勻。淬火軌硬度可至合適并均勻一致。不會出現(xiàn)馬氏體組織。目前國外 除獨聯(lián)體外，日、美、澳等國均采用風(fēng)淬。采用單一的介質(zhì)風(fēng)淬，工藝穩(wěn)定， 操作簡便，確保了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)性能。但是，冷卻后的硬度值普遍偏低，且由于 冷卻時間過長，無法保證較高的生產(chǎn)率。對大斷面的60kgm，75kgm淬火 軌來說，僅僅采用風(fēng)淬則無法達(dá)到對淬硬層深度的要求，而且有許多待改進之 處，所

15、以出現(xiàn)了“先噴風(fēng)，后噴水的工藝?？墒蔷褪沁@種工藝也不是很完善的。 主要的問題仍然是淬火重軌的硬度偏低。這是因為，一方面是對冷卻介質(zhì)的應(yīng) 用還存在著一定的片面性，另一方面是對冷卻介質(zhì)的應(yīng)用在水平上還沒有達(dá)到 很深的層次上，甚至還停留在表面的層次上。 1.3 重軌淬火數(shù)值模擬的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀重軌淬火數(shù)值模擬的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 熱處理的實質(zhì)是使鋼在固態(tài)范圍內(nèi)，通過加熱、保溫和快速冷卻的方法， 改變內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改變其性能的一種工藝。在熱處理過程中，試件內(nèi)部 會發(fā)生十分復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如瞬態(tài)溫度場的變化、組織的轉(zhuǎn)變、力學(xué)性能的 改變以及殘余應(yīng)力的產(chǎn)生等。這些物理現(xiàn)象也正是材料實現(xiàn)淬火硬化的主要依 據(jù)

16、。 20世紀(jì)70年代以來，由于計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，熱處理過程的數(shù)值模擬 也隨之成為一個舉世關(guān)注的研究領(lǐng)域。對于一些與熱處理相關(guān)的學(xué)科，如數(shù)值 計算方法、傳熱學(xué)、熱應(yīng)力理論、相變動力學(xué)、計算流體力學(xué)等在國內(nèi)外都丌 展了較為深入的研究，從而為熱處理過程的計算機模擬和仿真技術(shù)的發(fā)展奠定 了堅實的基礎(chǔ)。 淬火過程的計算機模擬是熱處理過程計算機模擬的重要組成部分。它能對 試件的溫度場、顯微組織場和內(nèi)應(yīng)力場進行耦合計算，給出每一瞬間的溫度場 面、顯微組織場和內(nèi)應(yīng)力場，并能直接地觀察到各場量在淬火過程中的變化情 況，這樣就可以在節(jié)省大量的人力、物力、財務(wù)和時問的情況下對試件進行全 面的分析，預(yù)測試件淬火后

17、的組織性能，從而可對淬火工藝方案進行優(yōu)化，使 工藝更加高效合理。 國外對淬火試件淬火數(shù)值模擬計算比較早，數(shù)值模擬研究始于70年代， 。20世紀(jì)70年代初，當(dāng)組織轉(zhuǎn)變數(shù)值模擬提到日程上來時，就有兩種描述組織 轉(zhuǎn)變過程的方法，即ttt曲線法和cct曲線法，為組織轉(zhuǎn)變的數(shù)值模擬提供了 兩種途徑。cct曲線法模擬的難題后，ttt曲線在淬火試件顯微組織場模擬中 迅速得到推廣。 1978年瑞典學(xué)者計算了滲碳鋼的淬火殘余應(yīng)力，在計算時使用了hidenwall 最初用于根據(jù)等溫轉(zhuǎn)變的孕育期預(yù)測連續(xù)冷卻時轉(zhuǎn)變溫度的疊加法則，將連續(xù) 冷卻離散成每一小時間段的階梯冷卻，借助虛擬時間的概念成功地解決了如何 利用”盯曲

18、線預(yù)測連續(xù)冷卻過程組織轉(zhuǎn)變量的問題。 至20世經(jīng)80年代初，已經(jīng)編制了一批非穩(wěn)態(tài)溫度場的計算機程序；奧地利 的對淬火過程進行了熱彈塑性分析，并對比了等向強化和隨動強ferrammerstor 化、蠕變、相變塑性等對模擬結(jié)果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相變塑性對應(yīng)力影響較大， 而蠕變影響較小可以忽略；日本的tinoue對淬火和回火過程進行了持續(xù)、系 統(tǒng)的物理模擬研究和數(shù)值模擬研究，他們開發(fā)出的熱處理數(shù)值模擬軟件 “hearts可對中小型零件的水淬、滲碳淬火、感應(yīng)淬火進行數(shù)值模擬，并得 到實際測試結(jié)果的驗證。法國的denis貝在馬氏體淬火過程中的熱力學(xué)分析和內(nèi) 應(yīng)力計算過程中全面考慮了相變塑性和內(nèi)應(yīng)力對馬氏體

19、轉(zhuǎn)變動力學(xué)的影響，描 述了它們對殘余應(yīng)力的影響，并與實際測定的應(yīng)力狀態(tài)進行了對比。 淬火過程的計算機模擬在我國發(fā)展較晚。20世紀(jì)80年代中期，上海重機廠 等單位開始采用有限差分法，對大型軋輥淬火過程溫度場進行了計算。盡管從 數(shù)學(xué)模型、物性參數(shù)、換熱系數(shù)等都進行了大量的簡化，但是在計算結(jié)果的總 體趨勢還是非常有意義的。 20世紀(jì)80年代末，清華大學(xué)等單位采用有限單元法對大型軋輥和電機轉(zhuǎn)子 淬火過程的溫度場、顯微組織場及內(nèi)應(yīng)力場進行了模擬計算，并根據(jù)模擬計算 結(jié)果對工藝提出了有益的改進意見。 20世紀(jì)90年代以來，由于計算機處理能力的提高，溫度場模擬計算中最難 處的非線性問題正在逐步被解決。mic

20、hael jcialkowsi、ndrzej frackowiak、nmalnajem、amosman、mmel- refaee、kmkhanafe【6【等人通過法研究了二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)逆問題treffetz 的求解方法。他們提出有限元和函數(shù)，用最小二乘法、邊界元法【7】等不同方 法估計了直角區(qū)域的表面溫度、熱流密度結(jié)果表明邊界元法(bem)是解決逆問 題的有效方法。 2009年，李公法, 屈海端, 楊金堂, 尹強, 龍華, 張小亮等人利用有限元 分析軟件對u71m n重軌軌頭淬火過程中的應(yīng)力場進行數(shù)值模擬【8】, 并對影響 其分布的各種因素進行研究。結(jié)果表明, 準(zhǔn)確選擇淬火時加熱、保溫時間和風(fēng)

21、 冷時的壓強, 能顯著降低軌頭的淬火應(yīng)力, 對u71mn重軌軌頭熱處理中相關(guān)參 數(shù)的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。 目前，對淬火試件內(nèi)應(yīng)力場的研究主要集中在淬火過程中試件的瞬態(tài)溫度、 相應(yīng)、應(yīng)力之間的耦合作用，其目的是能準(zhǔn)確地反映出實際過程各場量的變化， 較為準(zhǔn)確地預(yù)測出淬火后試件內(nèi)部組織、性能、應(yīng)力和畸變。 1.4 研究內(nèi)容研究內(nèi)容 1 依據(jù)傳熱原理，建立重軌的三維模型，用有限元方法研究重軌軌頭在 淬火過程中的溫度場應(yīng)力場分布； 2. 研究不同的壓強以及淬火噴風(fēng)時間對重軌溫度場、應(yīng)力場的影響，找 出最佳的淬火噴風(fēng)壓強； 3. 結(jié)合熱模擬實驗，為實際生產(chǎn)的正常運行提供理論依據(jù)。 第二章第二章 重軌淬

22、火溫度場和應(yīng)力場的理論基礎(chǔ)重軌淬火溫度場和應(yīng)力場的理論基礎(chǔ) 重軌淬火時，在重軌與淬火介質(zhì)間不斷換熱的同時，重軌內(nèi)存在溫差和熱 傳導(dǎo)，重軌內(nèi)的組織、溫度及應(yīng)力分布不斷發(fā)生變化。因此，為了研究并模擬 重軌及重軌的淬火過程，就要研究重軌淬火時的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象以及導(dǎo)熱定解問題， 分析重軌及材料的熱物理性能參數(shù)，探索重軌淬火時導(dǎo)熱問題的求解方法。 2.1 重軌淬火溫度場理論基礎(chǔ)重軌淬火溫度場理論基礎(chǔ) 2.1.1 熱傳遞方式熱傳遞方式 熱傳遞方式【9】有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種。而本文研究的是不同壓 強下的噴風(fēng)冷卻的溫度場和應(yīng)力場，主要用到熱傳導(dǎo)和熱對流兩種方式，所以 在下文中僅對這兩種熱傳遞方式做了簡單介

23、紹： 1. 熱傳導(dǎo) 熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個物體之間或一個物體的不同部分之間由 于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律【10】： dx dt kq n （2.1） 式（2.1）中， 為熱流密度（w/m2） ；為導(dǎo)熱系數(shù)（w/m） ；負(fù)號表 n qk 示熱量流向溫度降低的方向。 2. 熱對流 熱對流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的 熱量的交換。熱對流可以分為兩類：自然對流和強制對流。熱對流用牛頓冷卻 方程來描述： )( bs n tthq （2.2） 式（2.2）中，為對流換熱系數(shù)；為固體表面溫度；為周圍流體的溫h s t b t 度。 2.1.2 重

24、軌淬火時定解條件重軌淬火時定解條件 根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律，可以建立熱傳導(dǎo)問題的控制方程： t t cq z t k zy t k yx t k x tzyx )()()( （2.3） 式（2.3）中，為材料的密度；為材料的比熱；、分別為沿 t c x k y k z k x、y、z方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)；q(x，y，z，t)為物體內(nèi)部的熱強度。 熱傳導(dǎo)問題的控制方程描述了重軌內(nèi)部發(fā)生導(dǎo)熱現(xiàn)象時各點溫度的變化規(guī) 律，方程對于內(nèi)部各節(jié)點都是普遍適用的。但滿足導(dǎo)熱微分方程的解是無限多 的，微分方程的解即數(shù)學(xué)上所說的通解中必定包含有待定的積分常數(shù)，要使這 些待定常數(shù)唯一地確定下來，除了微分方程以外，

25、還必須再附加若干對所求解 的特定導(dǎo)熱問題的自身特點和外部環(huán)境等情況的限定或者補充說明。這些附加 的說明和限定條件即單值條件，數(shù)學(xué)上稱為定解條件。對任何一個具體導(dǎo)熱問 題完整的數(shù)學(xué)描述，除了經(jīng)適當(dāng)選擇的坐標(biāo)下的導(dǎo)熱微分方程以外，還必須同 時給出相應(yīng)的定解條件。 對一般的導(dǎo)熱問題而言，單值性條件【11】(定解條件)包括幾何條件、物理 條件、初始條件、邊界條件等四個方面的內(nèi)容。幾何條件是指參與導(dǎo)熱過程的 重軌的幾何尺度、形狀。物理條件是指導(dǎo)熱重軌的主要物理參數(shù)和物理特征。 諸如有關(guān)的各項物性參數(shù)以及它們是否隨溫度變化，有沒有內(nèi)熱源存在，是否 均勻分布等等。初始條件是指導(dǎo)熱過程開始時刻重軌內(nèi)的溫度場。

26、邊界條件是 指導(dǎo)熱重軌在其邊界面上與外部環(huán)境之間在熱交換方面的聯(lián)系或相互作用。 因此，為了研究并模擬重軌熱問題，就需要確定淬火工件的幾何條件、重 軌熱物性參數(shù)、淬火工件和淬火介質(zhì)的初始溫度分布(初始條件)、淬火工件外 表面與淬火介質(zhì)之間的熱交換情況(邊界條件)等定解條件。 2.1.3 淬火時熱傳導(dǎo)初始條件淬火時熱傳導(dǎo)初始條件 重軌淬火時的初始條件包括重軌淬火前的初始溫度分布情況(溫度場)和淬 火介質(zhì)的初始溫度均勻的，如鍛件從室溫裝爐開始加熱，或者加熱到給定溫度， 長時間保溫使工件內(nèi)部均勻熱透。此時一般認(rèn)為重軌的初始溫度場是完全均勻 一致的，即有 (2.4) 00 tt t 初始溫度場【12】也

27、可以是不均勻的，但重軌各點溫度值是已知的。此時 )( 00 zyxtt t 、 （2.5） 式（2.5）中，為已知溫度函數(shù)。)( 0 zyxt、 2.1.4 重軌淬火的邊界條件重軌淬火的邊界條件 重軌淬火時的邊界條件【13】是指淬火工件外表面與周圍環(huán)境的熱交換情況。 對于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，它常常是使導(dǎo)熱過程得以發(fā)生和發(fā)展的外界驅(qū)動力。而對穩(wěn) 念導(dǎo)熱來說，它是影響重軌內(nèi)溫度分布狀態(tài)的外部條件。常見的邊界條件有以 下三類： （1）第一類邊界條件，是指重軌邊界條件邊界上的溫度或溫度函數(shù)為已知。 用公式表示為： )(zyxtttt ss 、或者 （2.6） 式(2.6)中，下標(biāo)s為重軌的邊界條件范圍；為已知

28、的重軌表面溫度,為定 t 值()；為已知重軌的表面溫度函數(shù)，隨時間、位置的變化而變化。)(zyxt、 （2）第二類邊界條件，是指重軌表面上熱流密度為已知，規(guī)定熱流密度 q 的方向等同于邊界法線n的方向，其表達(dá)式為 q （2. ）、（或者zyxtq n t q n t ss 7） 式（2.7）中，為已知重軌表面的熱流密度，為定值()； q)/( 2 mw 為己知重軌的熱流密度函數(shù)，隨位置、時間而變化。）、（zyxtq （3）第三類邊界條件，又稱牛頓邊界條件，是指重軌與其相接觸的流體介 質(zhì)間的熱對流系數(shù)以和介質(zhì)溫度乃為已知。其表達(dá)式為 （2. )( cks tth n t 8） 為簡化計算機編程，

29、將上述三類邊界條件統(tǒng)一為用第三類式子表達(dá)。當(dāng)為 第一類邊界時，取，為一極大值即可。 c tt k h 當(dāng)為第二類邊界時，最常用的是絕熱邊界，即，此時取= 00 s n t k h 即可。 當(dāng)為三類邊界條件時，最常用的是對流系數(shù)和輻射混合的換熱邊界，其表 達(dá)式為 )()( 44 ccks tttth n t =)( csck tthtth ） = )( c tth （2.9） 式中，h 為總換熱系數(shù)： sk hhh 為輻射換熱系數(shù)： s h )( 22 ccs tttth （2.10） 式中溫度值要用絕對溫度表示；為 stefanboltzmann 常數(shù)， ；為重軌表面的輻射率。)/(10768

30、. 5 428 kmw 工程問題中越來越多地出現(xiàn)非線性的輻射邊界或自然對流邊界，即導(dǎo)熱重 軌的表面與外界環(huán)境之間以輻射或者自然對流換熱的方式相聯(lián)系。例如在高壓 氣體淬火時，淬火介質(zhì)是氣態(tài)的，或在高真空環(huán)境中，邊界上的輻射換熱往往 成為主導(dǎo)因素，或至少與對流方式并重。即使在線性換熱邊界條件中，當(dāng)已知 的溫度、換熱系數(shù)、熱流密度等參數(shù)隨著材料的物性參數(shù)、導(dǎo)熱時間及材料中 溫度場的變化而發(fā)生變化時，線性換熱邊界條件就變?yōu)榉蔷€性換熱邊界條件。 以往的研究結(jié)果表明，重軌及淬火時的換熱邊界條件是非線性的，主要是由淬 火時相變的產(chǎn)生和淬火材料的物性參數(shù)隨溫度而變化等原因引起的。因此，要 對淬火過程進行精確地

31、數(shù)值模擬，需要準(zhǔn)確確定特定問題的換熱邊界條件。 2.2 重軌淬火應(yīng)力場理論基礎(chǔ)重軌淬火應(yīng)力場理論基礎(chǔ) 2.2.1 熱彈性和熱塑性問題熱彈性和熱塑性問題 對重軌淬火時，由于溫度變化劇烈，不僅會引起彈性變形，還會一起塑性 變形。對重軌進行淬火處理的時候，引起應(yīng)力的原因是溫度分布不均，各節(jié)點 的膨脹量不同，屬于熱彈性和熱塑性問題【14】 【14】。 。材料進入塑性狀態(tài)后而是物理 非線性的。為了便于有限元計算，須做線性化處理。一般處理彈塑性問題采取 如下的一些假設(shè)： 1)塑性變形不引起體積改變，即體積不變定律： 0 321 ppp （2.11） 式(211)中，分別表示三個主變形方向塑性應(yīng)變分量。 p

32、pp321 、 根據(jù)體積不變定律，可導(dǎo)出塑性變形時的泊松系數(shù)為=0.5。 2)重軌材料的屈服服從屈服準(zhǔn)則。同時，還顯示出各向同性強化。mises 屈服準(zhǔn)則為：當(dāng)?shù)刃?yīng)力達(dá)到屈服極限時，材料開始屈服。即：mises s （2.12） 式(2.12)中，為等效應(yīng)力，為屈服極限。 s 對于軸對稱問題，為書寫方便，用記四個 4321 、 ， zrr 、 、 z 并寫做 4321 、 （2.13） 表示應(yīng)力向量。這時等效應(yīng)力表達(dá)式為 3)()()( 2 1 2 4 2 13 2 32 2 21 （2.14） 3)應(yīng)變強化規(guī)律。從單向拉伸試驗結(jié)果可以看出，對于大多數(shù)重軌材料， 屈服后卸載或部分卸載，然后再

33、加載，其屈服應(yīng)力就會增加，這就是應(yīng)變強化。 在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，設(shè)新的屈服應(yīng)力只與卸載前的等效塑性應(yīng)變總量有關(guān)，即 只有當(dāng)應(yīng)力適合式時才會發(fā)生塑性變形。 0)( p dh （2.15） 4)塑性區(qū)的行為服從流動法則?；诘刃娀瘡娀?zhǔn)則基礎(chǔ)上mises 流動法則，又稱為塑性流動增量理論，其表達(dá)式為：reussprandtl （2.16） p d 2.2.2 熱彈塑性問題的求解熱彈塑性問題的求解 由于重軌淬火過程中，最大變形量約在 23左右，仍屬于小變形范圍， 故在熱彈塑性問題中的幾何方程仍可沿用彈性問題的幾何方程只是剛度矩陣， 要以代替。具體表達(dá)式為： ep d e d 變分方程： h rk

34、 （2.17） 剛度矩陣： dvbdbk e ep et （2.18） 熱載荷向量： （2. dvdbr e tep et h 19） 彈塑性矩陣當(dāng)時的應(yīng)力水平有關(guān)，故(2.17)式為非線性方程，求解時需線 性化處理。常用的方法有增量變剛度法、初應(yīng)力法、初應(yīng)變法等。 增量變剛度法的特點是將載荷分段逐步增加，增加一次載荷，就會產(chǎn)生應(yīng) 力和應(yīng)變增量和，只要增加載荷適當(dāng)?shù)男?，則可近似認(rèn)為在此計算步 內(nèi)保持不變，則 ep d （2.20） 成線性關(guān)系。當(dāng)然，這樣計算會有偏差，通常采用迭代法來提高計算精度。 這種解法，每加載一次或迭代一次，剛度矩陣都要根據(jù)應(yīng)力水平重新計算一次， 故稱這種方法為增量變剛度

35、法。 用增量變剛度法求解彈塑性問題時，不是在每一次加載后所有單元都處于 彈性或塑性狀態(tài)，實際上可能是下列三種狀態(tài)并存： (1)單元處于彈性狀態(tài)，稱為彈性單元； (2)單元處于塑性狀態(tài)，稱為塑性單元； (3)單元在加載前處于彈性狀態(tài)，加載后處于塑性狀態(tài)，稱為過渡單元。對 于不同的單元，要作不同處理。 2.3 組織場求解理論基礎(chǔ)組織場求解理論基礎(chǔ) 鐵道部技術(shù)政策明確規(guī)定，凡50kgm及以上的重軌軌頭要求全部淬火。 淬火的過程就是奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的過程，使珠光體在較低的溫度下轉(zhuǎn)變， 而得到強韌性和細(xì)片狀珠光體(即索氏體)組織，不得出現(xiàn)馬氏體、貝氏體有害 組織，因此在淬火應(yīng)力模擬計算中僅考慮索氏體(

36、細(xì)珠光體)的相變。在每一個 等溫步長中，新相形成的體積百分?jǐn)?shù)用等溫相變動力學(xué)計算。珠光體和貝氏體 的等溫相變體積百分比按所提出的公式：mehljohnson )exp(1 k n kk tbv （2.30） v為k相的體積百分含量；、仇為兩個與溫度有關(guān)的參數(shù)，它們可以從 k b k n 材料的等溫相變圖求得；k=1對應(yīng)珠光體，k=2對應(yīng)貝氏體。 第三章第三章 重軌溫度場和應(yīng)力場重軌溫度場和應(yīng)力場 ansys 仿真過程仿真過程 3.1 用用 ansys 模擬分析重軌溫度場和應(yīng)力場的方法模擬分析重軌溫度場和應(yīng)力場的方法 在整個模擬仿真過程中，可先用 pro/e 畫出重軌的三維模型。再將重軌的 三維

37、模型導(dǎo)入 ansys 軟件中。利用 ansys 軟件，以已知的初始條件和邊界條 件，得到重軌的溫度場仿真圖。再運用熱-結(jié)構(gòu)耦合分析的方法，以溫度作為求 解應(yīng)力的初始條件對有限元模型進行加載求解，可得到重軌的應(yīng)力場仿真結(jié)果。 3.2 用用 ansys 模擬分析重軌溫度場和應(yīng)力場的步驟模擬分析重軌溫度場和應(yīng)力場的步驟 3.2.1 建立重軌的三維模型建立重軌的三維模型 1.根據(jù) gb（t）68-1987 可查得國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 50kg/m 重軌外形尺寸，如 圖 3-1 所示. 圖圖 3-13-1 鋼軌橫截面圖尺寸（鋼軌橫截面圖尺寸（mm） 2.用軟件 pro/e 畫出重軌的三維模型（如圖 3-2）

38、，并以 iges 格式保存文件 “zhonggui” 。 圖圖 3-2 重軌的三維模型圖重軌的三維模型圖 3.2.2 確定重軌的各項材料參數(shù)及初始條件確定重軌的各項材料參數(shù)及初始條件 1.查閱材料手冊可得國家標(biāo)準(zhǔn)50kg/m重軌密度為7800kg /m3, 線膨脹系數(shù) 1.18e-5。泊松比0.3，彈性模量220gpa,其余的主要物性參數(shù)見表1。 表表1 鋼軌的物性參數(shù)鋼軌的物性參數(shù) t/ 100 200 300400500600700 800900 c/(jkg-1- 1) 478487505533579650772760623 k/(wm-1- 1) 40.2437.6835.0832.9

39、430.8428.862626.1624.88 2.具體的重軌淬火過程噴風(fēng)冷吹初始條件：重軌冷噴前，表面溫度為 900，淬火冷空氣的溫度 510，冷氣的對流系數(shù) 100w/m2。 3.2.3 ansysansys 仿真重軌溫度場和應(yīng)力場的基本步驟仿真重軌溫度場和應(yīng)力場的基本步驟 1. 設(shè)置環(huán)境（設(shè)置工作目錄，設(shè)置文件名，設(shè)置工作標(biāo)題，設(shè)定分析模塊） （1） 設(shè)置工作目錄。在通用菜單中選擇【file】-【change directory】命 令，彈出【change directory】對話框，選擇自己的工作目錄，單擊【ok】按鈕。 （2） 設(shè)置文件名。在通用菜單中選擇【file】-【change

40、 jobname】命令， 彈出【change jobname】對話框，輸入文件名 1-1（如圖 3-3） ，單擊【ok】按 鈕。 （3） 設(shè)置工作標(biāo)題。在通用菜單中選擇【file】-【change title】命令， 彈出【change title】對話框，輸入文件名“zhonggui” （如圖 3-4） ，單擊 【ok】按鈕。 （4） 設(shè)定分析模塊。本文做的是對重軌的結(jié)構(gòu)分析和熱分析，所以只需要 選擇結(jié)構(gòu)分析和熱分析模塊。在主菜單中選擇【preferences】命令，彈出設(shè)定 分析模塊對話框，勾選【structural】和【thermal】復(fù)選框（如圖 3-5） ，然后單 擊【ok】按鈕完成

41、分析模塊的選擇。 圖圖 3-3 設(shè)置文件名設(shè)置文件名 圖圖 3-4 設(shè)置工作標(biāo)題設(shè)置工作標(biāo)題 圖圖 3-5 設(shè)定分析模塊設(shè)定分析模塊 2. 選擇單元類型 在主菜單中選擇【element type】-【add/edit/delete】 ，選擇單元類型 solid90，如圖 3-6 所示。 圖圖 3-6 選擇單元類型選擇單元類型 3. 定義材料屬性 定義材料的比熱容為 623j/kg，導(dǎo)熱系數(shù)為 25w/m,密度為 7800kg/m3。在主菜單中選擇【preprocessor】-【material props】-【material model】命令，彈出材料屬性定義對話框。選擇【thermal】選

42、項，分別雙擊 【conductivity】 、 【specific heat】和【density】 ，輸入比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和密度 值，最后結(jié)果如圖 3-7。 圖圖 3-7 定義材料屬性定義材料屬性 4. 導(dǎo)入模型 在通用菜單中選擇【file】-【import】-【iges】命令，彈出選擇文件的對 話，選擇 iges 格式的文件，然后單擊【ok】按鈕，導(dǎo)入重軌的三維模型 （如圖 3-8） 。 圖圖 3-8 導(dǎo)入的模型導(dǎo)入的模型 5. 劃分網(wǎng)格 在主菜單中選擇【preprocessor】-【meshing】-【mesh tool】命令，彈出 網(wǎng)格劃分選擇的對話框，如圖 3-9 勾選各項。然后單擊【

43、ok】按鈕，得到重軌 的有限元模型（如圖 3-10） 。 圖圖 3-9 劃分網(wǎng)格劃分網(wǎng)格 圖圖 3-10 網(wǎng)格圖網(wǎng)格圖 6. 施加邊界條件 （1） 設(shè)置分析類型。在主菜單中選擇【solution】-【analysis type】- 【new analysis】命令，在彈出的新分析對話框中選擇分析類型為.單擊【ok】 按鈕，在彈出的瞬態(tài)分析對話框中選中 full 單選鍵。單擊【ok】按鈕，完成分 析類型的選擇。 （2） 設(shè)置重軌的初始溫度。在主菜單中選擇【solution】-【define loads】-【apply】-【initial condit n】-【define】命令，在彈出的節(jié)點拾取

44、對 話框中，單擊 pick all 按鈕后會立即彈出初始條件定義對話框。選擇自由度為 temp，并設(shè)置初始溫度為 900，如圖 3-11 所示。單擊【ok】按鈕，完成初始 溫度的設(shè)置. （3）為重軌施加外界條件。在主菜單中選擇【solution】-【define loads】-【apply】-【thermal】-【convection】-【on areas】命令，彈出節(jié) 點拾取對話框。選中重軌表面節(jié)點,單擊拾取對話框的 ok 按鈕，此時彈出對流 邊界條件設(shè)置對話框，在其中 film coefficient 一欄輸入 100，表明對流傳熱系 數(shù)為 100；在 bulk temperature 一

45、欄輸入 5，表明邊界溫度為 5 攝氏度，如圖 3- 12。單擊 ok 按鈕，對流邊界條件施加于重軌表面 圖圖 3-11 重軌的初始溫度重軌的初始溫度 圖圖 3-12 施加外界條件施加外界條件 7. 熱分析求解 （1） 設(shè)置時間和載荷步。在主菜單中選擇【solution】-【load step opts】-【time/frequenc】-【time-time setup】命令，彈出時間設(shè)置對話框， 在 time 一欄中輸入本分析的最終時間 60，在時間步長一欄中輸入步長時間 5；在加載方式單選按鈕中選中 stepped 單選按鈕，如圖 3-13 所示。單擊 ok 按 鈕，完成時間和載荷步的設(shè)置。

46、 (2) 設(shè)置結(jié)果輸出項。在主菜單中選擇【solution】-【load step opts】- 【output ctrls】-【db/results file】命令，彈出結(jié)果輸出對話框。在 item 下拉 列表中選擇 all item 表明輸出所有計算結(jié)果。同時在 freq 欄中選中 every substep 。單擊 ok 按鈕，完成結(jié)果輸出控制的設(shè)置。 圖圖 3-13 時間和載荷步時間和載荷步 （3）在主菜單中選擇【solution】-【solve】-【current ls】命令，彈出求 解確認(rèn)對話框，單擊 ok 按鈕，求解開始。求解完畢后會彈出提示對話框。單 擊提示對話框中的 ok 按

47、鈕，則求解結(jié)束。 8.查看溫度場分布 在主菜單中選擇【general postproc】-【read results】-【by pick】,在彈 出的 results file 對話框，選擇時間為 30 的一項，再單擊 read 按鈕。在主菜單 中選擇【general postproc】-【plot results】-【contour plot】-【nodal solution】命令，在彈出的 contour nodal solution data 對話框中，選擇【dof solution】-【nodal temperature】 。單擊 ok，則得到第 30s 時重軌溫度場分布圖 (如圖 3

48、-14)。 圖圖 3-14 重軌溫度場分布圖重軌溫度場分布圖 9.單元轉(zhuǎn)換，添加材料模型 （1） 將熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元。在主菜單中選擇【preferences】命令， 彈出設(shè)定分析模塊對話框，勾選【structural】復(fù)選框.單擊【ok】按鈕。在主 菜單中選擇【preferences】-【element type】-【switch elem type】命令，彈 出單元轉(zhuǎn)換對話框，在下拉菜單中選擇【thermal to struc】選項（如圖 3-15） ， 單擊【ok】按鈕，完成熱單元到結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)換。 圖圖 3-15 單元轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換 （2） 為結(jié)構(gòu)分析材料屬性。線膨脹系數(shù) 1.18e-5

49、，泊松比 0.3，彈性模量 220gpa。在主菜單中選擇【preprocessor】-【material props】-【material model】命令，選擇【structural】選項。選擇【linear】-【elastic】- 【isotropic】 ，如圖 3-16 所示輸入彈性模量和泊松比。再選擇【thermal expansion】-【secant coefficient】- 【isotropic】,如圖 3-17 所示輸入線膨脹系數(shù)。 圖圖 3-16 彈性模量和泊松比彈性模量和泊松比 圖圖 3-17 線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù) 10. 施加熱載荷 （1） 在通用菜單中選擇【selec

50、t】-【everything】命令，選取所有元素。 （2） 施加溫度載荷。在主菜單中選擇【solution】-【define loads】- 【apply】-【structural】-【temperature】-【from therm analy】命令，系統(tǒng) 將彈出【apply temp from thermal analysis】對話框，單擊【browse】按鈕， 彈出文件選擇窗口，在工作目錄中選擇“1-1.rth”文件。完成選擇后單擊 【ok】按鈕。 11. 求解，結(jié)構(gòu)分析 在主菜單中選擇【solution】-【solve】-【current ls】命令，彈出求解確 認(rèn)對話框，單擊 ok

51、按鈕，求解開始。求解完畢后會彈出提示對話框。單擊提 示對話框中的 ok 按鈕，則求解結(jié)束。 12. 查看應(yīng)力場分布 在主菜單中選擇【general postproc】-【plot results】-【contour plot】- 【nodal solution】命令，在彈出的 contour nodal solution data 對話框中，選擇 【nodal solution】-【stress】-【von mises stress】 ，如圖 3-18 所示。單擊 ok， 則得到重軌應(yīng)力場分布圖(如圖 3-18)。 圖圖 3-18 重軌應(yīng)力場分布圖重軌應(yīng)力場分布圖 第四章第四章 重軌淬火過程的

52、溫度場和應(yīng)力場分析重軌淬火過程的溫度場和應(yīng)力場分析 4.1 研究不同壓強下溫度場和應(yīng)力場的前提條件研究不同壓強下溫度場和應(yīng)力場的前提條件 重軌的表面換熱系數(shù)決定重軌在冷淬過程中溫度的變化，圖 4-1 和 4-2 分 別是重軌在 0.4 m pa 、0.8 m pa 冷氣的條件下表面對流換熱系數(shù)隨重軌表面溫 度的變化情況。由此，可利用 ansys 軟件模擬重軌在 0.4mpa、0.8 mpa 冷氣 的條件下的溫度場和應(yīng)力場情況，通過比較分析，出最佳的冷噴壓強。 圖圖4-1 0.4mpa時表面對流換熱系數(shù)時表面對流換熱系數(shù) 圖圖4-2 0.8mpa時表面對流換熱系數(shù)時表面對流換熱系數(shù) 4.2 不同

53、壓強下噴風(fēng)溫度場對比分析不同壓強下噴風(fēng)溫度場對比分析 （1） 0.4mpa噴風(fēng)壓力下的溫度場分布 圖圖4-3 0.4mpa氣體淬火時氣體淬火時t=30s的溫度場的溫度場 圖圖4-4 0.4mpa氣體淬火時氣體淬火時t=45s的溫度場的溫度場 圖圖4-5 0.4mpa氣體淬火時氣體淬火時t=60s的溫度場的溫度場 （2）0.8mpa噴風(fēng)壓力下的溫度場分布 圖圖4-6 0.8mpa氣體淬火時氣體淬火時t=30s的溫度場的溫度場 圖圖4-7 0.8mpa氣體淬火時氣體淬火時t=45s的溫度場的溫度場 圖圖4-8 0.8mpa氣體淬火時氣體淬火時t=60s的溫度場的溫度場 從上面的這些ansys通用后

54、處理器得到的結(jié)果圖（4-3到4-8），可以得 到0.4mpa時重軌在t=30s、t=45s和t =60s的最小溫度分別是874mpa、862mpa和 851mpa, 0.8mpa時，分別是887mpa、881mpa和875 mpa?？梢钥闯?.4mpa氣體 冷卻能力比0.8mpa的強，在同樣加熱、保溫、冷卻時間相同條件下，前者溫度 下降的快。 4.3 不同壓強下噴風(fēng)應(yīng)力場對比分析不同壓強下噴風(fēng)應(yīng)力場對比分析 （1） 0.4mpa噴風(fēng)壓力下的溫度場分布 圖圖4-9 0.4mpa氣體淬火時氣體淬火時t=30s的應(yīng)力場的應(yīng)力場 圖圖4-10 0.4mpa氣體淬火時氣體淬火時t=45s的應(yīng)力場的應(yīng)力場 圖圖4-11 0.4mpa氣體淬火時氣體淬火時t=60s的應(yīng)力場的應(yīng)力場 （2）0.8mpa噴風(fēng)壓力下的溫度場分布 圖圖4-12 0.8mpa氣體淬火時氣體淬火時t=30s的應(yīng)力場的應(yīng)力場 圖圖4-13 0.8mpa氣體淬火時氣體淬火時t=45s的應(yīng)力場的應(yīng)力場 圖圖4-14 0.8mpa氣體淬火時氣體淬火時t=60s的應(yīng)力場的應(yīng)力場 由圖4-9到4-14可以得到0.4mpa時重軌在t=30s、t=45s和