機械設計制造及自動化畢業(yè)設計-t8鋼圓柱體油淬過程溫度場模擬

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　T8鋼圓柱體油淬過程溫度場模擬</p><p>　　T8鋼圓柱體油淬過程溫度場模擬</p><p>　　摘要：鋼作為一重要的工程材料，按化學成分可以分為碳素鋼，合金鋼兩類。T8

2、鋼屬于碳素工具鋼，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、塑性及強度較低。用作需要具有較高硬度和耐磨性的各種工具，如形狀簡單的模子和沖頭、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、鉚釘沖模等工具[1]。淬火是實現(xiàn)工件組織結構優(yōu)化的一個重要手段，也是機械行業(yè)的一項重要基礎技術，它對于提高和控制材料的性能，充分發(fā)揮材料的性能潛力，節(jié)省原材料，減少能耗，提高產

3、品的可靠性，延長其使用壽命，并提高生產單位的經濟效益等都具有十分重要的意義。研究T8鋼就是要讓其將自己的最大性能發(fā)揮出來，為人們的日常生活中，工作中發(fā)揮其優(yōu)點，使人類生活更加完善。</p><p>　　隨著計算機技術的迅速發(fā)展，淬火過程的計算機模擬越來越受到人們的重視，已成為當今淬火過程研究和淬火工藝設計中必不可少的重要方法。熱處理過程計算機模擬具有速度快、效率高、結果形象逼真、能綜合全面反映熱處理過程中各種變化

4、規(guī)律的特點。與試驗研究相結合，可以極大地拓展實測數(shù)據提供的信息，完成試驗研究很難做到甚至不能做到的工作。國內的許多專家和學者運用CAE軟件如MARc、ANSYS等對現(xiàn)實中熱處理過程進行了模擬，而且取得了一系列令人滿意的成果，并將模擬的結果指導于生產實踐之中[2]。</p><p>　　我們通過了解T8鋼的基本結構，基本性能以及淬火工藝，根據學習了解Ansys軟件，了解Ansys軟件的操作，假設模擬出T8鋼圓柱體油

5、淬過程的溫度場模擬，從而更深層次的了解T8鋼的性能，讓它更好的投入到人類生產中去。</p><p>　　關鍵詞：T8鋼，Ansys模擬，溫度場，熱處理 </p><p>　　T8 steel cylinder oil quenching temperature field simulation </p><p>　　Abstract: Steel as an imp

6、ortant engineering material, according to the chemical composition can be divided into carbon steel, alloy steel. Type belongs to carbon tool steel T8 steel, hardened plastic mold steel. Heat quenching tempering has high

7、er hardness and wear resistance, but low hardness, low hardenability and low, easy to deformation, plasticity and strength. Used as a need to have high hardness and wear resistance of various tools, such as shape simple

8、mould and punch, cutting of metal c</p><p>　　With the rapid development of computer technology, computer simulation of quenching process of more and more get people's attention, has become a current rese

9、arch on quenching process and the essential important method in the design of quenching process. Computer simulation of heat treatment process with high speed, high efficiency, the image is clear and comprehensive reflec

10、tion of the characteristics of various change law in the process of heat treatment. Combined with experimental study, can </p><p>　　We through understanding the basic structure of T8 steel, basic performance

11、 and the quenching process, according to the understanding of Ansys software, understand the operation of the Ansys software, assuming that simulate the temperature field of T8 steel cylinder oil quenching process simula

12、tion, thus a deeper understanding of T8 steel performance, to make it better into the human production. </p><p>　　keywords : T8 steel, Ansys, The temperature field，Heat treatment </p><p><b&g

13、t;　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　2 T8鋼的基本結構和淬火工藝基礎2</p><p>　　2.1 T8鋼的基本結構2</p><p>　　2.2 淬火工藝基礎2</p><p>　　2.3 淬火后組織分

14、析6</p><p>　　2.3.1 馬氏體6</p><p>　　2.3.2 貝氏體7</p><p>　　3 ANSYS10.0熱分析8</p><p>　　3.1 ANSYS軟件介紹8</p><p>　　3.2 熱分析的目的8</p><p>　　3.3 熱分析的

15、基本理論8</p><p>　　3.3.1 基本符號與單位8</p><p>　　3.3.2 熱傳遞的方式10</p><p>　　3.3.3 熱力學第一定律10</p><p>　　3.3.4 熱傳導控制微分方程11</p><p>　　3.4 ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析11</p>&

16、lt;p>　　3.4.1 熱載荷和邊界條件的類型11</p><p>　　3.4.2 穩(wěn)態(tài)熱分析基本步驟13</p><p>　　3.5 ANSYS瞬態(tài)分析14</p><p>　　3.5.1 瞬態(tài)熱分析特性14</p><p>　　3.5.2 時間步長設置15</p><p>　　4 T8

17、鋼圓柱體熱分析16</p><p>　　4.1 問題描述16</p><p>　　4.2 求解步驟18</p><p><b>　　結果與分析25</b></p><p><b>　　參考文獻30</b></p><p><b>　　致 謝31<

18、;/b></p><p><b>　　附件32</b></p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　計算機模擬淬火過程在生產產品和分析產品性質上日益突出其優(yōu)。人們普遍使用計算機有限元法來計算某些極其復雜的產品的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)方面的問題。隨著計算機技術的發(fā)展，很多有限元分析軟件得到普及，其中最

19、普遍的anasys準確性較高，實用性較強，得到很多方面的使用[3]。本文通過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溫度場的影響，對T8鋼淬火過程三維溫度場變化進行了模擬計算。</p><p>　　利用計算機輔助設計的強大計算能力和存儲能力以及對圖形的解讀能力，在對一些工程和某些產品零件的分析上取得理想的成果和效益。它是以計算機及其系統(tǒng)軟件作為基礎，包括方案設計、優(yōu)化設計、有限元設計、仿真模擬及產

20、品數(shù)據管理等內容。CAD技術的應用很廣，其設計包括：機械設計、機械制圖、機械分析等領域，產生了巨大的經濟成果及社會效益，有著廣泛的應用空間[4]。Ansys軟件是融結構，流體，電磁場，聲場，耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。軟件主要包括：前處理模塊，分析計算模塊，后處理模塊。分析計算模塊主要是結構分析，流體動力學，電磁場分析，聲場分析，壓電分析，模擬多種物理介質的相互作用[5]。利用數(shù)值模擬符合生產實際且運算速度快，節(jié)省生產的試

21、驗成本，優(yōu)于傳統(tǒng)的人工測量和經驗判斷的方法。有限元分析的主要目的是檢查結構或構件對一定載荷條件的響應。因此，在分析中指定合適的載荷條件是關鍵的一步。在ANSYS程序中，可以用各種方式對模型加載，而且借助于載荷步選項，可以控制在求解中載荷如何使用。</p><p>　　2 T8鋼的基本結構和淬火工藝基礎</p><p>　　2.1 T8鋼的基本結構</p><p>

22、;　　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)中應用最廣、用量最多的金屬，其品種繁多、性能各異。</p><p>　　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[6]。<

23、/p><p><b>　　化學成份：[7] </b></p><p><b>　　T8碳素工具鋼</b></p><p>　　碳 C ：0.75～0.84 </p><p>　　硅 Si：≤0.35 </p><p>　　錳 Mn：≤0.40 </p><p&

24、gt;　　硫 S ：≤0.030 </p><p>　　磷 P ：≤0.035 </p><p>　　鉻 Cr：允許殘余含量≤0.25、≤0.10(制造鉛浴淬火鋼絲時) </p><p>　　鎳 Ni：允許殘余含量≤0.20、≤0.12(制造鉛浴淬火鋼絲時) </p><p>　　銅 Cu：允許殘余含量≤0.30、≤0.20(制造鉛浴淬火鋼絲

25、時) </p><p>　　注：允許殘余含量Cr+Ni+Cu≤0.40(制造鉛浴淬火鋼絲時)</p><p>　　2.2 淬火工藝基礎</p><p>　　鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上某一溫度保溫一段時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）進行馬氏體（或貝氏體）轉變的熱處

26、理工藝。</p><p>　　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℃；過共析鋼和共析鋼的淬火溫度在Ac1以上30℃-50℃。加熱時間有兩個步驟，一是升溫二是保溫。通常情況下以裝爐后的溫度達到淬火溫度所需要的時間為升溫階段，并以此作為保溫時間的開始，保溫階段是鋼件溫度均勻并完成奧氏體化所需要的時間[8]。</p><p>　　淬火冷卻介質的選擇，通常使用的淬火冷

27、卻介質是水和油。水在650℃-550℃范圍冷卻能力較大，在300℃-200℃范圍冷卻能力也較大。因此易造成零件的變形和開裂，這是它的最大缺點。提高水溫能降低650℃-550℃范圍的冷卻能力，但對300℃-200℃的冷卻能力沒有影響[9]。這不利于淬硬，也不能避免變形，所以淬火用溫度控制在30℃以下。水在生產中主要用于形狀簡單、截面較大的碳鋼零件的淬火。</p><p>　　工業(yè)淬火通常包括加熱、保溫、冷卻三個階段

28、，每個階段都有自己的工藝參數(shù)：淬火的加熱參數(shù)、淬火的保溫時間、淬火冷卻。</p><p><b>　　加熱和保溫</b></p><p><b>　　油淬和水淬</b></p><p><b>　　零件清洗</b></p><p>　?。?）淬火的加熱參數(shù)</p>

29、<p>　　淬火加熱時要形成細小、均勻奧氏體晶粒，淬火后獲得細小馬氏體組織。亞共析鋼加熱溫度為Ac3溫度以上30~50℃；過共析鋼淬火溫度為Ac1溫度以上30~50℃，這溫度范圍處于奧氏體與滲碳體（A+C）雙向區(qū)，因為過共析鋼的正常淬火仍屬不完全淬火，淬火后得到馬氏體基本上分布滲碳體的組織，這組織狀態(tài)具有高硬度和高耐磨性。下表2.1是碳素鋼的淬火加熱溫度范圍[10]。</p><p>　　表2.1 淬

30、火溫度范圍</p><p>　?。?）淬火的保溫時間</p><p>　　淬火保溫時間由設備的加熱方式、零件尺寸、鋼的成分、裝爐量和設備功率等多種因素確定。對整體淬火而言，保溫的目的是使工件內部溫度均勻趨于一致。對各類淬火，其保溫時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[11]。加熱與保溫是影響淬火質量的重要環(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?？?/p>

31、制在5―8級。</p><p><b>　?。?）淬火冷卻</b></p><p>　　要使鋼中高溫相奧氏體在冷卻過程中轉變?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變成馬氏體，而小于臨界冷卻速度的心部不能轉變?yōu)轳R氏體需要選用冷卻能力足夠強的淬火介質，以保證工件心部

32、有足夠高的冷卻速度。但是冷卻速度大，工件內部由于熱脹冷縮不均勻造成內應力，可能使工件變形或開裂。因而要考慮上述兩種矛盾因素，合理選擇淬火介質和冷卻方式。冷卻階段不僅零件獲得合理的組織，達到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形狀精度，是淬火工藝過程的關鍵[12]。</p><p>　　2.3 淬火后組織分析</p><p>　　淬火后得到的組織有馬氏體和貝氏體兩部分。</p>

33、<p>　　2.3.1 馬氏體</p><p>　　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間擴散出晶胞。當奧氏體達到馬氏體轉變溫度Ms時，馬氏體轉變開始產生，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，少部分的奧氏體組織迅速轉變，但不會繼續(xù)。只有當溫度進一步降低，更多的奧氏體才會轉變成馬氏體。最后，溫度到達馬氏體轉變結束溫度Mf馬氏體轉變結束。馬氏體還可以

34、在壓力作用下形成，這種方法經常用在硬化陶瓷上（氧化釔、氧化鋯）和特殊的鋼種（高強度、高延展性的鋼）。因此，馬氏體是體心立方結構，奧氏體是面心立方結構。奧氏體向馬氏體轉變僅需要很少的能量，因為這種轉變是無擴散位移型的，僅僅是迅速和微小原子重排。馬氏體密度低于奧氏體，所以轉變后體積會膨脹。相對于轉變帶來的體積改變，這種變化引起的切應力、拉應力則更需要重視。馬氏體在Fe-C相圖中沒有出現(xiàn)，因為它不是一種平衡的組織[13]。平衡組織的形成需要很

35、慢的冷卻速度和足夠時間擴散，而馬氏體是在非?？斓睦鋮s速度下形成。由于化學反應（向平衡態(tài)轉變）溫度高時會加快，馬氏體在加熱情況下容易分解。這個過程叫回火。在某些合金中加入合金元素會減少這種馬氏體的分解。比如，加入合</p><p>　　2.3.2 貝氏體</p><p>　　又稱貝茵體，鋼中相形態(tài)之一。鋼過冷奧氏體的中溫（ Ms-550℃）轉變物，a-Fe和Fe3C的復相組織，用符號B來表

36、示。貝氏體轉變溫度介于珠光體轉變與馬氏體轉變溫度之間，在貝氏體轉變溫度偏高區(qū)域轉變產物叫上貝氏體（up bai-nite）（350℃-550℃），外觀形貌似羽毛狀貝氏體。沖擊韌性較差，生產上應求避免。貝氏體轉變溫度下端偏低溫度區(qū)域轉變產物叫下貝氏體（Ms-350℃）。其沖擊韌性較好。為了提高韌性，生產上應通過熱處理控制獲得下貝氏體[14]。</p><p>　　3 ANSYS10.0熱分析</p>

37、<p>　　3.1 ANSYS軟件介紹</p><p>　　ANSYS用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布以及其他熱物理參數(shù)，在ANSYS/Multiphysics/ANSYS/Mechanical/ANSYS/Thermal/ANSYS/FLOTRAN/ANSYS/ED等產品中包含熱分析功能，其中ANSYS/FLOTRAN不包含相變熱分析。ANSYS10.0熱分析基于能力守恒原理的熱平衡方程，用有限元

38、法計算各節(jié)點溫度，并到處其他物理參數(shù)[15]。</p><p>　　ANSYS10.0熱分析分類，主要有兩大類：</p><p>　　穩(wěn)態(tài)傳熱：溫度分布場不隨時間變化。</p><p>　　瞬態(tài)傳熱:溫度分布場隨時間發(fā)生明顯變化。</p><p>　　3.2 熱分析的目的</p><p>　　熱分析的目的是分析一個系

39、統(tǒng)或某些部件的溫度場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，熱分析對于很多生產和研究都非常重要。</p><p>　　3.3 熱分析的基本理論</p><p>　　3.3.1 基本符號與單位</p><p><b>　　如表3.1[16]</b></p><p>　　表3.1 熱分

40、析基礎單位</p><p>　　注①:在熱分析中，攝氏度和華氏攝氏度換算關系為1℃=5/9（℉-32）</p><p>　　表3.2 熱分析單位換算表</p><p>　　3.3.2 熱傳遞的方式</p><p>　?。?）傳導，熱傳導遵循傅里葉定律</p><p>　　Q/t=KA(Th-Tc)/d

41、 (3-1)</p><p>　　式中Q為時間t內傳熱量或熱流量；K為熱傳導率或傳熱系數(shù)；T為溫度；A為平面面積；d為兩平面之間的距離。</p><p>　?。?）對流，熱對流用牛頓冷卻方程來描述</p><p>　　q〃=h(Ts-Tb) (3-2)<

42、;/p><p>　　式中h為對流換熱系數(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。</p><p>　?。?）輻射，它們之間的凈熱量傳遞可以用史蒂芬-波爾茲曼方程來計算</p><p>　　q=εσA1F12(T14 - T24) (3-3)</p><p&g

43、t;　　在絕大多數(shù)情況下，我們分析的熱傳導問題都帶有對流和輻射邊界條件。</p><p>　　3.3.3 熱力學第一定律</p><p>　　對于一個封閉的系統(tǒng)（沒有質量的流入或留出）</p><p>　　Q-W=△U+△KE+△PE (3-4)</p><p><b>　　式

44、中 Q—熱量；</b></p><p><b>　　W—做功；</b></p><p><b>　　△U—系統(tǒng)熱力能；</b></p><p>　　△KR—系統(tǒng)的動能；</p><p>　　△PE—系統(tǒng)的勢能。</p><p><b>　　在大多數(shù)的熱

45、問題：</b></p><p>　　△KE=△PE=0 (3-5)</p><p>　　如果考慮沒有做功的話：W=0，則，Q=△U。 （3-6）</p><p>　　在穩(wěn)態(tài)熱分析：Q=△U=0。</p>&l

46、t;p>　　而對于瞬態(tài)熱分析的話：q=Du/dt。</p><p><b>　　熱分析的控制方程</b></p><p>　　3.3.4 熱傳導控制微分方程</p><p>　　δδx (λxxδTδx )+δTδy (λyyδTδy )+δδz (λyyδTδz )+q"=ρcdTdt

47、 (3-7)</p><p><b>　　其中</b></p><p>　　dTdt =δTδt +VxδTδx +VyδTδy +VzδTδz (3-8)</p><p>　　其中，Vx，Vy，Vz為媒介的

48、傳導速率快慢。</p><p>　　將控制微分方程轉成等效的積分形式：</p><p>　　∫vol（ρcδT(δTδt +｛v｝T｛L｝T)+｛L｝TδT([D]{L}T）d(vol) =∫s2δT q*d(S2)+∫s3δThf(Tb-T)d(S3)+∫volδTq"d(vol) (3-9)</p><p>　　式

49、中 vol—單元體積；</p><p>　　{L}T=[δδx δδy δδz ]；</p><p>　　q"—單位體積的熱生成；</p><p>　　hf—表面的傳熱系數(shù)；</p><p>　　Tb—流體的溫度大??；</p><p>　　δT—溫度的虛變量大小；</p><p>

50、;　　S2—熱通量的施加面積大?。?lt;/p><p>　　S3—對流的施加面積大小。</p><p>　　3.4 ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析</p><p>　　穩(wěn)態(tài)傳熱對于分析穩(wěn)定的熱載荷在系統(tǒng)或某一部件的影響，一般情況下在進行瞬態(tài)熱分析以前都會進行穩(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。

51、</p><p>　　3.4.1 熱載荷和邊界條件的類型</p><p>　　ANSYS10.0熱載荷分四類：</p><p>　　（1）DOF約束：指定的DOF（溫度）數(shù)值</p><p>　?。?）集中載荷：集中載荷（熱流）施加在點上</p><p>　　（3）面載荷：在面上的分布載荷（對流，熱流）</p&

52、gt;<p>　?。?）體載荷：體積或區(qū)域載荷</p><p>　　表4.1 ANSYS10.0中載荷類型</p><p><b>　　（1）溫度</b></p><p>　　均勻的溫度可以施加到全部的節(jié)點上，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)分析的第一個子步驟加在全部節(jié)點上。它也可以用于估計隨溫度變

53、化材料特性的初值。</p><p><b>　　（2）熱流率</b></p><p>　　熱流率是集中節(jié)點的載荷。正的熱流率是能量流入實體和模型。熱流率也可以施加在某些關鍵點上。這種載荷一般用于對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)域的熱導率上時應注意。</p><p><b>　?。?）對流</b>&l

54、t;/p><p>　　施加在實體和模型外表面上的載荷，模擬熱量交換。</p><p><b>　?。?）熱流</b></p><p>　　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表示。</p><p><b>　　（5）熱生成率</b></p><p>

55、;　　作為體載荷施加，代表體內生成的熱，單位是單位體積內的熱流率。</p><p>　　3.4.2 穩(wěn)態(tài)熱分析基本步驟</p><p>　　無論是穩(wěn)態(tài)熱分析還是瞬態(tài)熱分析，均可將ANSYS10.0熱分析分為3個步驟：</p><p>　?。?）前處理：建模。</p><p>　?。?）求解：施加載荷計算結果。</p><

56、p>　　（3）后處理：查看結果。</p><p><b>　　具體過程如下：</b></p><p><b>　　（1）建模</b></p><p>　?、俅_定jobname、Title、Unit。</p><p>　?、谶M入PREP7前處理，定義單元類型，設定單元選項。</p>

57、<p><b>　?、鄱x單元實常數(shù)。</b></p><p>　?、芏x材料熱性能參數(shù)，對于穩(wěn)態(tài)傳熱，一般只需定義熱導率，它可以是恒定的，也可以隨溫度變化。</p><p>　　⑤創(chuàng)建幾何模型并劃分網格。</p><p><b>　　（2）施加載荷計算</b></p><p>　?、俣?/p>

58、義分析類型 如果進行新的熱分析，則</p><p>　　GUI操作：選擇Main Menu＞Solution＞Analysis Type-＞New Analysis＞Steady-state。</p><p>　　命令：ANTYPE，STATIC,NEW。</p><p>　　如果繼續(xù)上次分析，比如增加邊界條件等，則</p><p>　　G

59、UI操作：選擇Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Restart。</p><p>　　命令：ANTYPE,STATIC,REST。</p><p>　?、谑┘虞d荷 可以直接在實體模型或單元模型上施加五種載荷（邊界條件）。</p><p><b>　　1）恒定的溫度。</b></p><p&g

60、t;　　GUI操作：選擇Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Temperature。</p><p><b>　　命令：D。</b></p><p><b>　　2）熱流率。</b></p><p>　　GUI操作：選擇Main Menu＞Solution＞Defie

61、 Loads＞Apply＞Thermal＞Heat Flow。</p><p><b>　　命令：F。</b></p><p><b>　　3）對流。</b></p><p><b>　　命令：SF。</b></p><p><b>　　4）熱流密度。</b&g

62、t;</p><p>　　GUI操作：選擇Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Heat Flux。</p><p><b>　　命令：F。</b></p><p><b>　　5）生熱率。</b></p><p>　　GUI操作：選擇Main

63、Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Heat Generat。</p><p><b>　　命令：BF。</b></p><p><b>　　③確定載荷步選項</b></p><p><b>　?、艽_定分析選項</b></p><p&g

64、t;　?、荼４婺Ｐ?點擊ANSYS工具條SAVE_DB</p><p><b>　?、耷蠼?lt;/b></p><p><b>　　（3）查看結果</b></p><p>　?、龠M入通用處理器和/或時序后處理器。</p><p>　?、谑褂昧斜怼⒗L圖等查看結果。</p><p>

65、;<b>　?、鄄榭凑`差估計。</b></p><p><b>　?、茯炞C求解。</b></p><p>　　3.5 ANSYS瞬態(tài)分析</p><p>　　3.5.1 瞬態(tài)熱分析特性</p><p>　　瞬態(tài)熱分析是用于分析計算隨時間變化的溫度場和其他熱參數(shù)的系統(tǒng)。研究上基本用瞬態(tài)熱分析分析溫

66、度場，作為熱載荷進行應力分析。</p><p>　　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間的變化是否發(fā)生變化。時間在穩(wěn)態(tài)熱分析中僅用于計數(shù)，現(xiàn)在有了明確的物理意義。熱能存儲效應在穩(wěn)態(tài)分析忽律其影響，在瞬態(tài)分析要考慮進去?！皶r間”在兩者中都用作步進參數(shù)。每個載荷步和子步都和特定的時間有關系，即使求解本身可能不隨速率而變化。</p><p>　　3.5.2 時間

67、步長設置</p><p>　　時間步長是影響非線性求解精度和效率的最主要因素，通常情況，當時間步長減少：</p><p>　?。?）發(fā)散可能性的求解會下降</p><p><b>　?。?）結果更加準確</b></p><p>　?。?）迭代次數(shù)的求解下降</p><p>　?。?）分析的時間增長

68、</p><p>　　優(yōu)化的時間步長有許多因素影響，主要影響因素如下：</p><p>　　（1）非線性的程度和類型</p><p>　?。?）載荷位置和類型</p><p><b>　?。?) 網格大小</b></p><p>　　4 T8鋼圓柱體熱分析</p><p>

69、;<b>　　4.1 問題描述</b></p><p>　　利用ANSYS的熱分析功能對材料為T8鋼圓柱體進行瞬態(tài)熱傳遞分析。圓柱體的直徑為10mm，尺寸如和幾何模型如下圖所示。</p><p><b>　　CAD尺寸圖</b></p><p><b>　　三維模型</b></p>&

70、lt;p><b>　　分析時作以下假設：</b></p><p>　　（1）假定圓柱體在分析過程中與周圍環(huán)境介質僅發(fā)生對流</p><p>　?。?）分析時忽略T8材料的熱物理性能參數(shù)（導熱系數(shù)和比熱）隨溫度變化的影響</p><p>　　假設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)20分鐘后，將其突然放入

71、溫度為50攝氏度的油中進行冷卻，油的對流系數(shù)為2000 W/(m2.℃)。求解：</p><p>　　加熱保溫10分鐘、20分鐘、30分鐘以及油淬冷階段的10分鐘、20分鐘、30分鐘圓柱體的溫度場分布情況。</p><p>　　圓柱體上特殊點溫度隨時間變化的關系曲線。</p><p><b>　　T8材料熱性能參數(shù)</b></p>

72、<p><b>　　4.2 求解步驟</b></p><p>　?。?）定義分析文件名</p><p>　　選擇Utility Menu＞File＞Change Jobname，在彈出的對話框中輸入Exercise1，然后點擊OK。</p><p><b>　?。?）定義單元類型</b></p>

73、<p>　　選擇Main Menu＞Preprocesor＞Element Type＞Add/Edit/Delete,在彈出對話框中選擇Thermal Solid和Quad 4node 70,點擊OK后在單元增添對話框中然后點擊Close。</p><p><b>　　（3）定義材料屬性</b></p><p>　　點擊Preprocessor＞Mater

74、ial Props＞Material Models，出現(xiàn)Define Material Model Behavior對話框。在Material Models Availabel列表框中依次雙擊Thermal＞Conductivity＞Isotropic選項，出現(xiàn)Conductivity for Material Number1對話框，在文本框中輸入79，單機OK按鈕關閉該對話框。雙擊Define Material Model Behav

75、ior對話框上的Specific Heat按鈕，出現(xiàn)Specific Heat for Material Number 1對話框，在文本框中輸入608，單擊OK按鈕關閉對話框。雙擊Define Material Model Behavior對話框上的Density按鈕，出現(xiàn)Density for Material Number 1對話框，在文本框中輸入7800，單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p><

76、b>　?。?）建立幾何模型</b></p><p>　　該鋼件屬于軸對稱模型，可以首先建立鋼件的四分之一的三維模型。分析完成之后利用模型擴展功能，得到鋼件整體的分析結果。點擊Preprocessor＞Modeling＞Volumes＞By Demensions，出現(xiàn)Create Cylinder by Dimensions對話框，在Outer radius文本框輸入5，在Z-coordinate

77、s文本框輸入0和20，在Staring angle文本框輸入0，在Ending angle文本框輸入90，點擊OK按鈕關閉對話框。</p><p><b>　　四分之一模型</b></p><p>　?。?）控制單元大小 選擇Main Menu＞Preprocesor＞Meshing＞Size Cntrls＞Manualsize＞Global＞Size,在Elemen

78、t edge length框輸入0.5，點擊OK。</p><p>　　（6）劃分單元 選擇Main Menu＞Preprocesor＞Meshing＞Mesh＞Volumes＞Free, 在彈出對話框點擊Pick All。</p><p>　?。?）軸對稱模型拓展 選擇菜單欄上的PlotCtrls＞Style＞Symmetry Expandsion＞Periodic/Cyclic Sym

79、metry…，彈出Periodic/Cyclic Symmetry Expansion對話</p><p>　?。?）設定求解選項 選擇Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞New Analysis,彈出如下對話框，點擊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，點擊OK關閉對話框。</p><p>　　選擇Main Menu＞

80、Solution＞Analysis Type＞Sol’n Controls,彈出Solution Controls對話框，在Time at end of loadstep文本框輸入3600，將Automatic time stepping至于On位，Time step size文本輸入1，Minimum time step文本框輸入1，Maximum time step文本框輸入6，F(xiàn)requency置于Write every subs

81、tep位，點擊OK關閉對話框。</p><p>　　施加初始溫度 選擇Main Menu＞Solution＞Deline Loads＞Apply＞Thermal＞Temperature＞Uniform temerature,在對話框的Lab中選TEMP,VALUE中輸入25點擊OK。 </p><p>　　施加對流換熱載荷 選擇Utility Menu＞Plot＞Areas,選擇Main

82、Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Convection＞On Areas，選擇Min,Max,Inc，先輸入1,3,1后回車鍵，點擊OK，彈出Apply CONV on areas對話框，在Film coefficient文本框輸入2000，在Bulk temperature文本框輸入800。</p><p>　　寫入載荷步 選擇Utility Menu＞Solut

83、ion＞Load Step Opts＞Write LS File，彈出Write Load Step File對話框，在Load step file number n文本框輸入1，點擊OK。</p><p>　　重復上述步驟，設置載荷步2的所有選項。</p><p>　　求解 選擇Utility Menu＞Solution＞Solve＞From LS Files，彈出Solve Load

84、Step Files對話框，在Starting LS file number文本框輸入1，在Ending LS file number文本框輸入2，在File number increment文本框輸入1，點擊OK，開始進行求解。</p><p>　　當出現(xiàn)下圖時表示求解結束。</p><p><b>　　結果與分析</b></p><p>　

85、　對于該圓柱體零件，為軸對稱零件，在此選取以下四點為研究對象：圓柱體的幾何中心、圓柱體頂圓中心、圓柱體頂圓邊上的點、圓柱體側面中間點，在此分別成為A、B、C、D點。</p><p>　?。?）淬火過程中不同時刻零件的溫度場分布</p><p><b>　　10分鐘</b></p><p><b>　　20分鐘</b><

86、;/p><p><b>　　30分鐘</b></p><p><b>　　40分鐘</b></p><p><b>　　50分鐘</b></p><p><b>　　60分鐘</b></p><p>　?。?）淬火過程中各點隨時間的變化

87、關系</p><p>　　注②：紅色代表C點，綠色代表A點，藍色代表D點，紫色代表B點</p><p>　　從結果我們可以看出，在工件加熱的時候，C點溫度上升的最快，在冷卻的時候，C點的溫度下降的也最快。各點的溫度隨時間的變化的速度不一樣，由于所選節(jié)點的接觸位置不一樣，導致溫度變化的速率也不一樣，這主要原因是由于各節(jié)點與介質的的接觸面積不一樣。而A點在整個時間段內基本沒有發(fā)生變化，這是由于

88、該節(jié)點選擇的是位于圓柱體的中心位置，未與介質接觸，它的溫度變化只能靠零件本身傳熱，所以在整個時間段內溫度基本保持不變。</p><p><b>　?。?）保溫時間</b></p><p>　　從結果我們可以看出，如果相應的加熱保溫時間增長，零件的內部溫度就越高，淬透性也就越好。</p><p><b>　　(4)淬火介質</b&

89、gt;</p><p>　　由上面的分析我們不難發(fā)現(xiàn)，淬火冷卻過程中，部件冷卻速度不一樣，這有可能導致部件各部分受熱不均勻而出現(xiàn)斷裂的情況，所以對于比較大的部件，淬火時采用油淬冷卻比較不易使部件斷裂，這樣可以得到較高的淬透性和淬硬性又大大減少了變形和開裂，適應于比較復雜的工藝部件的淬火。淬火介質的選擇在整個淬火過程中的作用至關重要，可以根據不同的工藝部件選擇不同的淬火介質。</p><p>

90、;<b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]高強度耐蝕鋼軌的研究 任安超 武漢科技大學 2012.11.01</p><p>　　[2]基于Ansys淬冷過程的研究 高海東 貴州大學 2008.05.01</p><p>　　[3]淬火冷卻過程三維有限元模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化的研究 牛遠山 山東大學 2007.12.01</p&

91、gt;<p>　　[4]機械CAD與機械制圖的有機結合 趙繼東 王佳珺 科技創(chuàng)業(yè)家 2014.01.16</p><p>　　[5]利用Ansys實現(xiàn)斜拉橋非線性分析 衛(wèi)星 張士中 四川建筑科學研究 2013.12.25</p><p>　　[6]模具材料選用熱處理與使用壽命 周敬恩 金屬熱處理 1999.05.25</p><p>　　[7]新版碳素

92、工具鋼和高速工具鋼國家標準的變化 王開遠 模具技術 2011.01.25</p><p>　　[8]密封箱式多用爐滲碳工藝研究 趙亞麗 浙江大學 2012.02.01</p><p>　　[9]淬火介質冷卻性能的研究 黃華 大連交通大學 2012.06.01</p><p>　　[10]等溫淬火溫度對ADI中殘余奧氏體及其力學性能的影響 劉金海 邊泊乾 李國祿 徐

93、獻義 熱加工工藝 2007.04.25</p><p>　　[11]熱處理小知識續(xù) 熱處理技術與裝備 2013.04.25</p><p>　　[12]高強度鋼板熱沖壓過程的模具溫度控制與數(shù)值模擬技術研究 張磊 山東大學 2013.03.17</p><p>　　[13]高強Fe-V耐熱合金的開發(fā)研究 高航 東北大學 2010.06.01</p>&l

94、t;p>　　[14]T91鐵素體耐熱鋼相變過程及強化工藝 寧保群 天津大學 2007.12.01</p><p>　　[15]Ansys10.0有限元分析 鄧凡平 人民郵電大學</p><p>　　[16]基于熱分析基礎上的微機熱設計 張小軍 西北工業(yè)大學 2006.03.01</p><p><b>　　致 謝</b></p>

95、;<p>　　這次畢業(yè)論文能夠得以順利完成，并非我一人之功勞，是所有指導過我的老師，幫助過我的同學和一直關心支持著我的家人對我的教誨、幫助和鼓勵的結果。我要在這里對他們表示深深的謝意！</p><p>　　感謝我的指導老師，沒有您的悉心指導就沒有這篇論文的順利完成。老師交給我做人的道理以及老師滲透給我對工作學習的態(tài)度會使我終生受益.感謝所有教授過我課程的太原工業(yè)學院的老師們，是你們誨人不倦才有了現(xiàn)在

96、的我。</p><p>　　感謝我的父母，沒有你們，就沒有我的今天，你們的支持與鼓勵，永遠是支撐我前進的最大動力。</p><p>　　感謝身邊所有的朋友與同學，謝謝你們這些年來的關照與寬容，與你們一起走過的繽紛時代，將會是我一生最珍貴的回憶。</p><p><b>　　附 件</b></p><p>　　求解的關鍵命

97、令流文件（APDL）</p><p>　　/SOLU !進入求解模塊</p><p>　　ANTYPE,TRANSIENT !選擇瞬態(tài)分析類型</p><p>　　TIME,30 !定義計算終止時間</p><p>　　DELTIM,1,1,1 !定義最大、最小時間步長</

98、p><p>　　AUTOTS,,ALL !打開自動時間步長</p><p>　　OUTRES,,ALL !輸出全部結果文件</p><p>　　KBC,1 !設置加載方式，階躍加載</p><p>　　BFUNIF,TEMP,800 !初始溫度</p><p>&

99、lt;b>　　ALLSEL</b></p><p>　　SF,ALL,CONV,110,0 !施加對流載荷，110表示水的對流系數(shù)，0表示0℃EQSLV,JCG !選擇求解器</p><p>　　SOLVE !求解</p><p><b>　　FINISH</b></p>