T8鋼圓柱體水淬過(guò)程溫度場(chǎng)模擬

T8鋼圓柱體水淬過(guò)程溫度場(chǎng)模擬摘要:T8模具鋼屬于抗沖擊碳素工具鋼、冷作模具鋼、淬硬型塑料模具用鋼，該鋼無(wú)網(wǎng)狀碳化物析出傾向，塑性、韌性優(yōu)于T10A鋼，適用于制作較大截面的模具。重載模具采用T8模具鋼，進(jìn)行預(yù)先調(diào)質(zhì)球化處理，效果較好。該鋼可加工性好，價(jià)格低廉，來(lái)源容易，但缺點(diǎn)是淬透性低，耐磨性差，淬火變形大。本文將采用ANSYS有限元分析對(duì)T8鋼進(jìn)行熱處理過(guò)程模擬，熱處理過(guò)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(guò)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。國(guó)內(nèi)的許多專家和學(xué)者運(yùn)用MARC、ANSYS等軟件對(duì)現(xiàn)實(shí)中熱處理過(guò)程進(jìn)行了模擬，而且取得了一系列令人滿意的成果，并將模擬的結(jié)果指導(dǎo)于生產(chǎn)實(shí)踐之中。關(guān)鍵詞：T8鋼，ANSYS有限元分析，溫度場(chǎng)T8steelcylinderwaterquenchingprocesstemperaturefieldsimulationAbstract:T8toolsteelbelongsimpactcarbontoolsteel,coldworktoolsteel,hardenedplasticmoldsteel,thesteelmeshcarbideprecipitationnotendencyductility,toughnessthanT10Asteel,suitablefortheproductionofalargecross-sectionofthemold.OverloadedmoldusingT8Amoldsteel,quenchedandtemperedballpre-treatment,thebetter.Thesteelmachinabilitygood,inexpensive,easytosource,butthedrawbackisthelowhardenability,wearresistanceispoor,largedeformationhardening.ThisarticlewillusetheANSYSfiniteelementanalysisofT8steelheattreatmentprocesssimulation,heattreatmentprocesscomputersimulationhasspeed,highefficiency,theresultsofvivid,heattreatmentprocesscanbeintegratedfullyreflectchangesinthecharacteristicsofvariouslaws.Experimentalstudieswiththecombinationofthemeasureddatacangreatlyexpandtheinformationprovidedtocompletethetestsdonotevendifficulttodoresearchwork.ManyexpertsandscholarsinthedomesticuseofMARC,ANSYSsoftwareforrealitytosimulatetheheattreatmentprocess,butalsomadeaseriesofsatisfactoryresults,simulationresultsandguidanceontheproductionpracticeKeywords:T8Steel，ANSYSfiniteelementanalysis，Temperaturefield 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 目錄1緒論 11.1T8鋼的基本結(jié)構(gòu)和淬火工藝基礎(chǔ) 21.1.1T8鋼的基本結(jié)構(gòu) 21.2淬火工藝基礎(chǔ) 31.3淬火后組織分析 42ANASYS10.0熱分析 52.1ANASYS軟件介紹 52.2熱分析的目的 52.3熱分析的基本理論 52.3.1基本符號(hào)與單位 52.3.2熱傳遞的方式 62.3.3熱力學(xué)第一定律 72.3.4熱傳導(dǎo)控制微分方程 72.4ANASYS穩(wěn)態(tài)熱分析 82.4.1熱載荷和邊界條件的類型 82.4.2穩(wěn)態(tài)熱分析基本步驟 92.5ANASYS瞬態(tài)分析 112.5.1瞬態(tài)熱分析特性 112.5.2時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置 113T8鋼圓柱體有限元分析 123.1問(wèn)題描述 123.2圓柱體加熱及水淬溫度場(chǎng)模擬求解步驟 123.2.1定義分析文件名 123.2.2定義單元類型 123.2.3定義材料屬性 133.2.4建立幾何模型 133.2.5控制單元大小 133.2.6劃分單元 143.2.7設(shè)定求解選項(xiàng) 143.2.8求解 184結(jié)果與分析 194.1加熱 194.1.1加熱過(guò)程零件的溫度場(chǎng)分布 194.1.2加熱過(guò)程中圓柱體上特殊點(diǎn)隨時(shí)間的溫度變化 214.2水淬 234.2.1水淬過(guò)程零件的溫度場(chǎng)分布 234.2.2水淬過(guò)程中圓柱體上特殊點(diǎn)隨時(shí)間的溫度變化 25結(jié)論 28參考文獻(xiàn) 28致謝 30 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1緒論鋼是以鐵、碳為主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11%。鋼是經(jīng)濟(jì)建設(shè)中極為重要的金屬材料。鋼按化學(xué)成分分為碳素鋼（簡(jiǎn)稱碳鋼）與合金鋼兩大類。碳鋼是由生鐵冶煉獲得的合金，除鐵、碳為其主要成分外，還含有少量的錳、硅、硫、磷等雜質(zhì)。碳鋼具有一定的機(jī)械性能，又有良好的工藝性能，且價(jià)格低廉。因此，碳鋼獲得了廣泛的應(yīng)用。但隨著現(xiàn)代工業(yè)與科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，碳鋼的性能已不能完全滿足需要，于是人們研制了各種合金鋼。合金鋼是在碳鋼基礎(chǔ)上，有目的地加入某些元素（稱為合金元素）而得到的多元合金。與碳鋼比，合金鋼的性能有顯著的提高，故應(yīng)用日益廣泛。金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理、局部熱處理和化學(xué)熱處理等。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應(yīng)用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復(fù)雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。整體熱處理是對(duì)工件整體加熱，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以改變其整體力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。退火→將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時(shí)間，然后進(jìn)行緩慢冷卻(冷卻速度最慢)，目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進(jìn)一步淬火作組織準(zhǔn)備。正火→將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細(xì)，常用于改善材料的切削性能，也有時(shí)用于對(duì)一些要求不高的零件作為最終熱處理。淬火→將工件加熱保溫后，在水、油或其它無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時(shí)變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于710℃的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保溫，再進(jìn)行冷卻，這種工藝稱為回火。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關(guān)系密切，常常配合使用，缺一不可。T8鋼的應(yīng)用范圍極為廣泛：制作整體式M12螺栓冷鐓模，淬火硬度57-59HRC,使用壽命可達(dá)6000件；用于制作冷鐓貨車車廂螺栓凹模，直徑8.9mm×90mm同心圓柱體，采用內(nèi)孔噴水淬火，形成有利于提高疲勞抗力的表面硬化層，使用壽命可達(dá)2萬(wàn)次以上，而不噴水淬火的Cr12MoV鋼使用壽命只有1000-2000次；用于制作柳釘模，淬火后硬度51-53HRC,模具使用壽命＞7000件，而淬火后硬度較大或較小，使用壽命均較低；用于制作沖頭，經(jīng)碳化物超細(xì)化處理后低溫淬火，沖頭使用壽命比普通淬火處理提高10倍；用于制作料厚＜3mm的沖裁模的凸、凹模和鑲塊，制作凸模時(shí)硬度選用58-62HRC,制作凹模時(shí)選用硬度60-64HRC；用于制作一般彎曲模的凸、凹模，凸模時(shí)選用硬度58-62HRC,制作凹模時(shí)選用硬度60-64HRC；用于制作一般彎曲模的凸、凹模和鑲塊，作凸模時(shí)選用硬度56-60HRC;制作凹模時(shí)選用硬度56-60HRC；用于尺寸小、形狀簡(jiǎn)單、輕載荷的冷作模具以及要求硬化層不深并保持高韌性的冷鐓模等，如小沖頭、剪板機(jī)和剪刀等；貨車車廂螺栓冷鐓凹模，原采用Cr12模具鋼制作，盡管凹模壁厚大40mm左右，但在服役過(guò)程中常出現(xiàn)早期劈裂失效，模具使用壽命僅為0.1萬(wàn)-0.2萬(wàn)次。當(dāng)改用T8A鋼制作凹模，模具內(nèi)孔采用噴水淬火，形成了有利于提高疲勞抗力的表面硬化層，凹模使用壽命可以達(dá)到2萬(wàn)次以上；T8模具鋼沖頭經(jīng)碳化物微細(xì)化處理后低溫淬火，可顯著減少崩裂，使模具使用壽命提高10倍；適用于各種中小生產(chǎn)批量的模具和抗沖擊載荷的模具；T8模具鋼經(jīng)860℃×3h稀土硼共滲處理后，表面硬度為1622HV,滲層深度為9um；T8模具鋼凸模經(jīng)稀土硼共滲處理后，沖壓件的毛刺數(shù)量明顯減少，使成品質(zhì)量和凸模使用壽命明顯提高；采用淬火+高溫回火球化處理新工藝，用于簡(jiǎn)單沖模、沖頭、剪刃等，可比普通球化工藝節(jié)省20%時(shí)間，退火質(zhì)量好、效率高、耗能低，但操作略顯麻煩；碳素工具鋼僅適于制作尺寸不大、受力較小、形狀簡(jiǎn)單以及變形要求不高的塑料膜記算機(jī)模擬熱處理過(guò)程在生產(chǎn)產(chǎn)品和分析產(chǎn)品性質(zhì)上日益突出其優(yōu)。人們普遍使用計(jì)算機(jī)有限元法來(lái)計(jì)算某些極其復(fù)雜的產(chǎn)品的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)方面的問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多有限元分析軟件得到普及，其中最普遍的ANASYS準(zhǔn)確性較高，實(shí)用性較強(qiáng)，得到很多方面的使用。本文通過(guò)綜合考慮材料熱物性參數(shù)、界面換熱系數(shù)隨溫度的非線性變化對(duì)溫度場(chǎng)的影響，對(duì)T8鋼圓柱體水淬過(guò)程溫度場(chǎng)變化進(jìn)行了模擬計(jì)算。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的強(qiáng)大計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力以及對(duì)圖形的解讀能力，在對(duì)一些工程和某些產(chǎn)品零件的分析上取得理想的成果和效益。它是以計(jì)算機(jī)及其系統(tǒng)軟件作為基礎(chǔ)，包括方案設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元設(shè)計(jì)、仿真模擬及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等內(nèi)容[1]。1.1T8鋼的基本結(jié)構(gòu)和淬火工藝基礎(chǔ)1.1.1T8鋼的基本結(jié)構(gòu)鋼鐵是以鐵和碳為主要組成元素的合金材料。鋼鐵材料是工業(yè)中應(yīng)用最廣、用量最多的金屬，其品種繁多、性能各異。T8鋼是淬硬型塑料模具用鋼。淬火回火后有較高硬度和耐磨性，但熱硬性低、淬透性差、易變形及強(qiáng)度較低。用作需要具有較高硬度和耐磨性的各種工具，比如形狀簡(jiǎn)單的模子和沖頭、切削金屬的刀具、打眼工具、木工用的銑刀、埋頭鉆、斧、鑿、縱向手用鋸、以及鉗工裝配工具、鉚釘沖模等次要工具［2］?；瘜W(xué)成份：T8碳素工具鋼碳C：0.75～0.8硅Si：≤0.35錳Mn：≤0.40硫S：≤0.030磷P：≤0.035鉻Cr：允許殘余含量≤0.25、≤0.10(制造鉛浴淬火鋼絲時(shí))鎳Ni：允許殘余含量≤0.20、≤0.12(制造鉛浴淬火鋼絲時(shí))銅Cu：允許殘余含量≤0.30、≤0.20(制造鉛浴淬火鋼絲時(shí))注：允許殘余含量Cr+Ni+Cu≤0.40(制造鉛浴淬火鋼絲時(shí))1.2淬火工藝基礎(chǔ)鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過(guò)共析鋼）以上某一溫度保溫一段時(shí)間后使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫度）進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。在通常情況下淬火的溫度，亞共析鋼的淬火溫度為Ac3以上30℃-50℃；過(guò)共析鋼和共析鋼的淬火溫度在Ac1以上30℃-50℃。加熱時(shí)間有兩個(gè)步驟，一是升溫二是保溫。通常情況下以裝爐后的溫度達(dá)到淬火溫度所需要的時(shí)間為升溫階段，并以此作為保溫時(shí)間的開始，保溫階段是鋼件溫度均勻并完成奧氏體化所需要的時(shí)間[3]。淬火保溫時(shí)間由設(shè)備的加熱方式、零件尺寸、鋼的成分、裝爐量和設(shè)備功率等多種因素確定。對(duì)整體淬火而言，保溫的目的是使工件內(nèi)部溫度均勻趨于一致。對(duì)各類淬火，其保溫時(shí)間最終取決于在要求淬火的區(qū)域獲得良好的淬火加熱組織。加熱與保溫是影響淬火質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，奧氏體化獲得的組織狀態(tài)直接影響淬火后的性能，一般鋼件奧氏體晶粒控制在5~8級(jí)。要使鋼中高溫相奧氏體在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏貋喎€(wěn)相馬氏體，冷卻速度必須大于鋼的臨界冷卻速度。工件在冷表面與心部的冷卻速度有一定差異，如果這種差異足夠大，則可能造成大于臨界冷卻速度部分轉(zhuǎn)變成馬氏體，而小于臨界冷卻速度的心部不能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體需要選用冷卻能力足夠強(qiáng)的淬火介質(zhì)，以保證工件心部有足夠高的冷卻速度。但是冷卻速度大，工件內(nèi)部由于熱脹冷縮不均勻造成內(nèi)應(yīng)力，可能使工件變形或開裂。因而要考慮上述兩種矛盾因素，合理選擇淬火介質(zhì)和冷卻方式。冷卻階段不僅零件獲得合理的組織，達(dá)到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形狀精度，是淬火工藝過(guò)程的關(guān)鍵［4］。1.3淬火后組織分析淬火后得到的組織有馬氏體和貝氏體兩部分。馬氏體是由奧氏體急速冷卻形成，這種情況下奧氏體中固溶的碳原子沒有時(shí)間擴(kuò)散出晶胞。當(dāng)奧氏體達(dá)到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變開始產(chǎn)生，母相奧氏體組=組織開始不穩(wěn)定。在Ms以下某溫度保持不變時(shí)，少部分的奧氏體組織迅速轉(zhuǎn)變，但不會(huì)繼續(xù)。只有當(dāng)溫度進(jìn)一步降低，更多的奧氏體才會(huì)轉(zhuǎn)變成馬氏體。最后，溫度到達(dá)馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Mf馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束。馬氏體還可以在壓力作用下形成，這種方法經(jīng)常用在硬化陶瓷上（氧化釔、氧化鋯）和特殊的鋼種（高強(qiáng)度、高延展性的鋼）。因此，馬氏體是體心立方結(jié)構(gòu)，奧氏體是面心立方結(jié)構(gòu)。奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變僅需要很少的能量，因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)變是無(wú)擴(kuò)散位移型的，僅僅是迅速和微小原子重排。馬氏體密度低于奧氏體，所以轉(zhuǎn)變后體積會(huì)膨脹。相對(duì)于轉(zhuǎn)變帶來(lái)的體積改變，這種變化引起的切應(yīng)力、拉應(yīng)力則更需要重視。馬氏體在Fe-C相圖中沒有出現(xiàn)，因?yàn)樗皇且环N平衡的組織。平衡組織的形成需要很慢的冷卻速度和足夠時(shí)間擴(kuò)散，而馬氏體是在非?？斓睦鋮s速度下形成。由于化學(xué)反應(yīng)（向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變）溫度高時(shí)會(huì)加快，馬氏體在加熱情況下容易分解。這個(gè)過(guò)程叫回火。在某些合金中加入合金元素會(huì)減少這種馬氏體的分解。比如，加入合金元素鎢，形成碳化物強(qiáng)化積體。由于淬火過(guò)程難以控制，很多淬火工藝通過(guò)淬火后獲得過(guò)量的馬氏體，然后通過(guò)回火去減少馬氏體含量，來(lái)獲得合適的組織，從而得到性能要求。馬氏體太多將使鋼變脆，馬氏體太少使剛變軟。貝氏體又稱貝茵體，鋼中相形態(tài)之一。鋼過(guò)冷奧氏體的中溫（Ms-550℃）轉(zhuǎn)變物，a-Fe和Fe3C的復(fù)相組織，用符號(hào)B來(lái)表示。貝氏體轉(zhuǎn)變溫度介于珠光體轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變溫度之間，在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度偏高區(qū)域轉(zhuǎn)變產(chǎn)物叫上貝氏體（upbai-nite）（350℃-550℃），外觀形貌似羽毛狀貝氏體。沖擊韌性較差，生產(chǎn)上應(yīng)求避免。貝氏體轉(zhuǎn)變溫度下端偏低溫度區(qū)域轉(zhuǎn)變產(chǎn)物叫下貝氏體（Ms-350℃）。其沖擊韌性較好。為了提高韌性，生產(chǎn)上應(yīng)通過(guò)熱處理控制獲得下貝氏體［5］。2ANASYS10.0熱分析2.1ANASYS軟件介紹ANASYS用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布以及其他熱物理參數(shù)，在ANASYS/Multiphysics、ANASYS/Mechanical、ANASYS/Thermal、ANASYS/FLOTRAN、ANASYS/ED等產(chǎn)品中包含熱分析功能，其中ANASYS/FLOTRAN不包含相變熱分析。ANASYS10.0熱分析基于能力守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)溫度，并到處其他物理參數(shù)[6]。ANASYS10.0熱分析分類，主要有兩大類：穩(wěn)態(tài)傳熱：溫度分布場(chǎng)不隨時(shí)間變化。瞬態(tài)傳熱：溫度分布場(chǎng)隨時(shí)間發(fā)生明顯變化。2.2熱分析的目的熱分析的目的是分析一個(gè)系統(tǒng)或某些部件的溫度場(chǎng)分布和某些其它熱物理量參數(shù)，如熱量的得失、熱量梯度、熱流的密度（熱通量）等，熱分析對(duì)于很多生產(chǎn)和研究都非常重要［7］。2.3熱分析的基本理論2.3.1基本符號(hào)與單位表3.1熱分析基礎(chǔ)單位項(xiàng)目國(guó)際單位英制單位ANSYS代號(hào)長(zhǎng)度mft時(shí)間sS質(zhì)量Kg1bm溫度℃℉力N1bf能量（熱量）JBUT功率（熱流率）WBUT/sec熱流密度W/m2BTU/sec-ft2生熱速率W/m2BTU/sec-ft2導(dǎo)熱系數(shù)W/m-℃BTU/sec-ft-℉KXX對(duì)流系數(shù)W/m-℃BTU/sec-ft2-℉HF密度Kg/m31bm/ft3DENS比熱J/Kg-℃BTU/1bm-℉C焓J/m3BTU/ft3ENTH注：在熱分析中，攝氏度和華氏攝氏度換算關(guān)系為1℃=5/9（℉-32）表3.2熱分析基礎(chǔ)單位換算系數(shù)物理量符號(hào)換算系數(shù)國(guó)際單位制單位英制單位壓力pPa1bf/in211.45038×10-46.8947b×1031比熱容ckJ/(kg·K)Btu/(1b·℉)12.38846×10-14.186801熱流率（功率）QWBtu/s13.412082.93076×10-11熱流密度q*W/m2Btu/（s·ft2）13.16993×10-13.154641熱導(dǎo)率λW/(m·k)Btu/(s·ft·℉)1.730765.77781×10-11.730761表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hf呂W/(m2.K)111.76108×10-15.6783212.3.2熱傳遞的方式（1）傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律Q/t=KA(Th-Tc)/d(式3.1)式中Q為時(shí)間t內(nèi)傳熱量或熱流量；K為熱傳導(dǎo)率或傳熱系數(shù)；T為溫度；A為平面面積；d為兩平面之間的距離。（2）對(duì)流，熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來(lái)描述q〃=h(Ts-Tb)(式3.2)式中h為對(duì)流換熱系數(shù)（或稱膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等），Ts為固體表面溫度，Tb為周圍流體的溫度。（3）輻射，凈熱量傳遞可以用史蒂芬-波爾茲曼方程來(lái)計(jì)算q=εσA1F12(T14-T24)(式3.3)在絕大多數(shù)情況下，我們分析的熱傳導(dǎo)問(wèn)題都帶有對(duì)流和輻射邊界條件[8]。2.3.3熱力學(xué)第一定律對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量的流入或留出）Q-W=△U+△KE+△PE(式3.4)式中Q—熱量；W—做功；△U—系統(tǒng)熱力能；△KR—系統(tǒng)的動(dòng)能；△PE—系統(tǒng)的勢(shì)能。在大多數(shù)的熱問(wèn)題：△KE=△PE=0(式3.5)如果考慮沒有做功的話：W=0，則，Q=△U(式3.6)在穩(wěn)態(tài)熱分析：Q=△U=0。而對(duì)于瞬態(tài)熱分析的話：q=Du/dt熱分析的控制方程。2.3.4熱傳導(dǎo)控制微分方程δδx(λxxδTδx)+δTδy(λyyδTδy)+δδz(λyyδTδz)+q"=ρcdTdt(式3.7)其中dTdt=δTδt+VxδTδx+VyδTδy+VzδTδz(式3.8)其中，Vx，Vy，Vz為媒介的傳導(dǎo)速率快慢。將控制微分方程轉(zhuǎn)成等效的積分形式：∫vol（ρcδT(δTδt+｛v｝T｛L｝T)+｛L｝TδT([D]{L}T）d(vol)=∫s2δTq*d(S2)+∫s3δThf(Tb-T)d(S3)+∫volδTq"d(vol)(式3.9)式中vol—單元體積；{L}T=[δδxδδyδδz]；q"—單位體積的熱生成；hf—表面的傳熱系數(shù)；Tb—流體的溫度大??；δT—溫度的虛變量大??；S2—熱通量的施加面積大?。籗3—對(duì)流的施加面積大小[9]。2.4ANASYS穩(wěn)態(tài)熱分析穩(wěn)態(tài)傳熱對(duì)于分析穩(wěn)定的熱載荷在系統(tǒng)或某一部件的影響，一般情況下在進(jìn)行瞬態(tài)熱分析以前都會(huì)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，這樣可以確定初始溫度分布。穩(wěn)態(tài)熱分析一般可以在有限元計(jì)算中確定穩(wěn)定熱載荷得到溫度、熱量梯度、熱流率等參數(shù)的情況。2.4.1熱載荷和邊界條件的類型ANASYS10.0熱載荷分四類：（1）DOF約束：指定的DOF（溫度）數(shù)值（2）集中載荷：集中載荷（熱流）施加在點(diǎn)上（3）面載荷：在面上的分布載荷（對(duì)流，熱流）（4）體載荷：體積或區(qū)域載荷表2.3ANASYS10.0中載荷類型施加載荷載荷分類實(shí)際模型載荷有限元模型載荷溫度約束在關(guān)鍵點(diǎn)上在線上在面上在節(jié)點(diǎn)上均勻熱流率集中力在關(guān)鍵點(diǎn)上在節(jié)點(diǎn)上對(duì)流面載荷在線上（2D）在面上（2D）在節(jié)點(diǎn)上在單元上熱流面載荷在線上（2D）在面上（2D）在節(jié)點(diǎn)上在單元上熱生成率體載荷在關(guān)鍵點(diǎn)上在面上在體上在節(jié)點(diǎn)上在單元上均勻①溫度均勻的溫度可以施加到全部的節(jié)點(diǎn)上，而不是一種溫度的束縛，通常只在施加初始溫度而非約束，在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)分析的第一個(gè)子步驟加在全部節(jié)點(diǎn)上。它也可以用于估計(jì)隨溫度變化材料特性的初值。②熱流率熱流率是集中節(jié)點(diǎn)的載荷。正的熱流率是能量流入實(shí)體和模型。熱流率也可以施加在某些關(guān)鍵點(diǎn)上。這種載荷一般用于對(duì)流以及熱流不能施加的情況下。施加該載荷到有很大差距的區(qū)域的熱導(dǎo)率上時(shí)應(yīng)注意。③對(duì)流施加在實(shí)體和模型外表面上的載荷，模擬熱量交換。④熱流同樣在面載荷，使用在熱流率已知的面的情況下。熱流輸入模型由正熱流值來(lái)表示。⑤熱生成率作為體載荷施加，代表體內(nèi)生成的熱，單位是單位體積內(nèi)的熱流率［10］。2.4.2穩(wěn)態(tài)熱分析基本步驟無(wú)論是穩(wěn)態(tài)熱分析還是瞬態(tài)熱分析，均可將ANASYS10.0熱分析分為3個(gè)步驟：前處理：建模；求解：施加載荷計(jì)算結(jié)果；后處理：查看結(jié)果。(1)建模①確定jobname、Title、Unit。②進(jìn)入PREP7錢處理，定義單元類型，設(shè)定單元選項(xiàng)。③定義單元實(shí)常數(shù)。④定義材料熱性能參數(shù)，對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱，一般只需定義熱導(dǎo)率，它可以使恒定的，也可以隨溫度變化。⑤創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格。（2）施加載荷計(jì)算定義分析類型如果進(jìn)行新的熱分析，則GUI操作：選擇MainMenu＞Solution＞AnalysisType-＞NewAnalysis＞Steady-state。命令：ANTYPE，STATIC,NEW。如果繼續(xù)上次分析，比如增加邊界條件等，則GUI操作：選擇MainMenu＞Solution＞AnalysisType＞Restart。命令：ANTYPE,STATIC,REST。施加載荷可以直接在實(shí)體模型或單元模型上施加五種載荷（邊界條件）。①恒定的溫度GUI操作：選擇MainMenu＞Solution＞DefineLoads＞Apply＞Thermal＞Temperature。命令：D。②熱流率GUI操作：選擇MainMenu＞Solution＞DefieLoads＞Apply＞Thermal＞HeatFlow。命令：F。③對(duì)流命令：SF。④熱流密度GUI操作：選擇MainMenu＞Solution＞DefineLoads＞Apply＞Thermal＞HeatFlux。命令：F。⑤生熱率GUI操作：選擇MainMenu＞Solution＞DefineLoads＞Apply＞Thermal＞HeatGenerat。命令：BF。確定載荷步選項(xiàng)確定分析選項(xiàng)保存模型點(diǎn)擊ANASYS工具條SAVE_DB求解（3）查看結(jié)果①進(jìn)入通用處理器和/或時(shí)序后處理器。②使用列表、繪圖等查看結(jié)果。③查看誤差估計(jì)。④驗(yàn)證求解。2.5ANASYS瞬態(tài)分析2.5.1瞬態(tài)熱分析特性瞬態(tài)熱分析是用于分析計(jì)算隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)和其他熱參數(shù)的系統(tǒng)。研究上基本用瞬態(tài)熱分析分析溫度場(chǎng)，作為熱載荷進(jìn)行應(yīng)力分析。瞬態(tài)熱分析的步驟類似于穩(wěn)態(tài)熱分析。它們的主要區(qū)別是各自的載荷是隨時(shí)間的變化是否發(fā)生變化。時(shí)間在穩(wěn)態(tài)熱分析中僅用于計(jì)數(shù)，現(xiàn)在有了明確的物理意義。熱能存儲(chǔ)效應(yīng)在穩(wěn)態(tài)分析忽律其影響，在瞬態(tài)分析要考慮進(jìn)去?！皶r(shí)間”在兩者中都用作步進(jìn)參數(shù)。每個(gè)載荷步和子步都和特定的時(shí)間有關(guān)系，即使求解本身可能不隨速率而變化［11］。2.5.2時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)是影響非線性求解精度和效率的最主要因素，通常情況，當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)減少：（1）發(fā)散可能性的求解會(huì)下降（2）結(jié)果更加準(zhǔn)確（3）迭代次數(shù)的求解下降（4）分析的時(shí)間增長(zhǎng)優(yōu)化的時(shí)間步長(zhǎng)有許多因素影響，主要影響因素如下：①非線性的程度和類型②載荷位置和類型③網(wǎng)格大小

3T8鋼圓柱體有限元分析3.1問(wèn)題描述利用ANSYS的熱分析功能對(duì)材料為T8鋼圓柱體進(jìn)行瞬態(tài)熱傳遞分析。圓柱體的直徑為40mm，高為50mm分析時(shí)作以下假設(shè)：假定圓柱體在分析過(guò)程中與周圍環(huán)境介質(zhì)僅發(fā)生對(duì)流。分析時(shí)忽略T8材料的熱物理性能參數(shù)（導(dǎo)熱系數(shù)和比熱）隨溫度變化的影響。假設(shè)T8圓柱體的初始溫度為室溫25℃，將其放入800℃的爐中加熱并保溫，持續(xù)60分鐘，將其突然放入溫度為20℃的水中冷卻7分鐘，水的對(duì)流系數(shù)為1000W/(m2.℃)。求解：加熱10分鐘、30分鐘、40分鐘、60分鐘以及水淬冷階段的1秒、3分鐘、5分鐘、7分鐘圓柱體的溫度場(chǎng)分布情況。圓柱體上特殊點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線[12]。表4.1T8材料熱性能參數(shù)密度（Kg/m3）導(dǎo)熱系數(shù)（W/m2.℃）比熱（J/(kg.℃)）7731305733.2圓柱體加熱及水淬溫度場(chǎng)模擬求解步驟3.2.1定義分析文件名選擇UtilityMenu＞File＞ChangeJobname，在彈出的對(duì)話框中輸入Exercise1，然后點(diǎn)擊OK。3.2.2定義單元類型選擇MainMenu＞Preprocesor＞ElementType＞Add/Edit/Delete,在彈出對(duì)話框中選擇ThermalSolid和Quad4node55,點(diǎn)擊OK后在單元增添對(duì)話框中然后點(diǎn)擊Close3.2.3定義材料屬性點(diǎn)擊Preprocessor＞MaterialProps＞MaterialModels，出現(xiàn)DefineMaterialModelBehavior對(duì)話框。在MaterialModelsAvailabel列表框中依次雙擊Thermal＞Conductivity＞Isotropic選項(xiàng)，出現(xiàn)ConductivityforMaterialNumber1對(duì)話框，在文本框中輸入30，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。雙擊DefineMaterialModelBehavior對(duì)話框上的SpecificHeat按鈕，出現(xiàn)SpecificHeatforMaterialNumber1對(duì)話框，在文本框中輸入573，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。雙擊DefineMaterialModelBehavior對(duì)話框上的Density按鈕，出現(xiàn)DensityforMaterialNumber1對(duì)話框，在文本框中輸入7731，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。3.2.4建立幾何模型該鋼件屬于軸對(duì)稱模型。點(diǎn)擊Preprocessor＞Modeling＞Areas＞Rectangle＞ByDemensions，出現(xiàn)CreateRectanglebyDimensions對(duì)話框。參照下圖對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框，如圖3.1所示。圖3.1生成矩形面對(duì)話框3.2.5控制單元大小選擇MainMenu＞Preprocesor＞Meshing＞SizeCntrls＞Manualsize＞Global＞Size,在Elementedgelength框輸入0.001，點(diǎn)擊OK，如圖3.2所示圖3.2劃分網(wǎng)絡(luò)大小對(duì)話框3.2.6劃分單元選擇MainMenu＞Preprocesor＞Meshing＞Mesh＞Volumes＞Free,在彈出對(duì)話框點(diǎn)擊PickAll。圖3.3劃分網(wǎng)絡(luò)成形圖3.2.7設(shè)定求解選項(xiàng)選擇MainMenu＞Solution＞AnalysisType＞NewAnalysis,彈出如下對(duì)話框，點(diǎn)擊OK按鈕選擇Transient瞬態(tài)分析類型，在再次彈出的窗口選擇Full選項(xiàng)，點(diǎn)擊OK關(guān)閉對(duì)話框，如圖3.5所示圖3.4分析類型對(duì)話框圖3.5求解方式對(duì)話框選擇MainMenu＞Solution＞AnalysisType＞Sol’nControls,彈出SolutionControls對(duì)話框，在Timeatendofloadstep文本框輸入3600，將Automatictimestepping至于On位，Timestepsize文本輸入1，Minimumtimestep文本框輸入1，Maximumtimestep文本框輸入6，F(xiàn)requency置于Writeeverysubstep位，點(diǎn)擊OK關(guān)閉對(duì)話框，如圖3.6所示圖3.6求解控制基本選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框施加初始溫度選擇MainMenu＞Solution＞DelineLoads＞Apply＞Thermal＞Temperature＞Uniformtemerature,在對(duì)話框的Lab中選TEMP,VALUE中輸入25點(diǎn)擊OK，如圖3.7所示圖3.7設(shè)置初始溫度對(duì)話框選擇UtilityMenu＞Select＞Entities命令，出現(xiàn)SELECTEntities對(duì)話框。在第1個(gè)下拉列表框中選擇Lines選項(xiàng)，其余選項(xiàng)均采用默認(rèn)設(shè)置，單擊OK按鈕，出現(xiàn)Selectlines菜單，選擇上,下,右3條線，單擊OK按鈕關(guān)閉該菜單。選擇UtilityMelect＞Select＞Entities命令，出現(xiàn)SELECTEntities對(duì)話框。在第1個(gè)下拉列表框中選擇Nodes選項(xiàng)，在第2個(gè)下拉列表框中選擇Attachedto選項(xiàng)，然后選擇Linesall單選按鈕，再單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。施加對(duì)流換熱載荷選擇UtilityMenu＞Plot＞Areas,選擇MainMenu＞Solution＞DefineLoads＞Apply＞Thermal＞Convection＞OnNodes命令，出現(xiàn)ApplyCONVonnodes菜單，單擊PickAll按鈕，出現(xiàn)ApplyCONVonnodes對(duì)話框，參照下圖進(jìn)行設(shè)置，單擊OK關(guān)閉該對(duì)話框，如圖3.8所示圖3.8施加對(duì)流載荷對(duì)話框選擇UtilityMenu＞Select＞Everything命令。MainMenu＞Solution＞AnalysisType＞AnalysisOptinos命令，出現(xiàn)FullTransientAnalysis對(duì)話框。參照下圖進(jìn)行設(shè)置，單擊OK關(guān)閉該對(duì)話框，如圖3.9所示圖3.9瞬態(tài)分析選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框3.2.8求解選擇UtilityMenu＞Solution＞Solve＞CurrentLS彈出SolveCurrentLoadStep對(duì)話框，點(diǎn)擊OK，開始進(jìn)行求解。當(dāng)出現(xiàn)下圖時(shí)表示求解結(jié)束，如圖3.10所示圖3.10求解結(jié)束對(duì)話框4結(jié)果與分析對(duì)于該圓柱體零件，為軸對(duì)稱零件，在此選取以下3點(diǎn)為研究對(duì)象：圓柱體的幾何中心（A）、圓柱體頂圓中心（B）、圓柱體頂圓邊上（C）的點(diǎn)。4.1加熱4.1.1加熱過(guò)程零件的溫度場(chǎng)分布圖4.110分鐘溫度變化圖4.230分鐘溫度變化圖4.340分鐘溫度變化圖4.460分鐘溫度變化4.1.2加熱過(guò)程中圓柱體上特殊點(diǎn)隨時(shí)間的溫度變化圖4.5A點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線圖4.6B點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線圖4.7C點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線4.2水淬4.2.1水淬過(guò)程零件的溫度場(chǎng)分布圖4.81秒溫度場(chǎng)分布圖4.93分鐘溫度場(chǎng)分布圖4.105分鐘溫度場(chǎng)分布圖4.117分鐘溫度場(chǎng)分布4.2.2水淬過(guò)程中圓柱體上特殊點(diǎn)的隨時(shí)間的溫度變化圖4.12A點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線圖4.13B點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線圖4.14C點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線綜合溫度場(chǎng)分布圖及各點(diǎn)曲線圖，我們可以看出，在工件加熱的時(shí)候，C點(diǎn)溫度上升的最快