高壓氣體淬火過程的數值模擬.pdf

1、高壓氣淬過程的物理場包括氣淬爐內的流場、氣體和金屬的溫度場、金屬的相變和組織、金屬的內應力和應變。高壓氣淬過程的數值模擬就是模擬上面多場的耦合作用。對于流體和金屬的傳熱傳質過程模擬，用有限差分法或者有限體積法模擬比較成熟；金屬的相變、內應力和應變計算，采用有限元法比較成熟。研究中采用了有限體積法軟件FLUENT計算氣體的流場，氣體和金屬的溫度場，以及金屬的相變過程；在FLUENT中調用有限元軟件FEPG，用于計算金屬內的應力和變形。

2、 由于FLUENT和FEPG采用了不同的網格系統(tǒng)，因此在調用FEPG前，需要由FLUENT計算的溫度場用插值的方法計算出FEPG需要的溫度場。這就需要判斷FLUENT網格和FEPG節(jié)點的位置關系，需要比較復雜的編程工作。而由于FLUENT只提供了C語言的二次開發(fā)接口，開發(fā)較大的程序比較困難，因此如果可能，有必要找出一種方法，使用戶在VC++集成環(huán)境下用面向對象的方法來對FLUENT進行二次開發(fā)。FEPG是一個有限元程序生成器，生成F

3、ORTRAN語言的有限元程序。由于當前FORTRAN已經過時，且用FORTRAN開發(fā)大型程序比較困難，因此，有必要將FORTRAN程序轉換成C++，在VC++環(huán)境下對FEPG進行二次開發(fā)。 在VC++環(huán)境下編譯動態(tài)庫，只要用相應的宏通知編譯器，編譯器就能用C語言的格式編譯函數和變量，對于要調用的C語言庫，也只要在頭函數前加上相應的宏，編譯器就能按C的接口格式調用函數。遵照這個原理，提出并編寫了一個讓用戶方便在VC環(huán)境中用C++對

4、FLUENT二次開發(fā)的工具。 FORTRAN語言和C語言都包括變量和數組定義、數學計算、跳轉語句、循環(huán)語句、文件操作等。對它們的語句進行對應轉換，就能將FORTRAN有限元語句轉換成C語句，讓FLUENT等程序直接調用C版有限元程序。提出并編寫了一個將FEPG工程轉換成C++工程的工具，用戶可以方便的用C++對FEPG進行二次開發(fā)。 論文分析了流體的控制方程，其分別由質量守恒、動量守恒和能量守恒推導而來，分析了在湍流狀態(tài)

5、下控制方程的表達形式，用有限體積法對公式的離散作了推導。用有限體積法軟件FLUENT對高壓氣淬爐內的流場和溫度場做了計算。計算的邊界條件包括氮氣進口的流速和溫度、出口壓力。計算中考慮了氮氣和金屬在不同壓力或者溫度條件下物性參數的變化。計算中考慮了金屬內部的鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體相變，以及相變對溫度場的影響。除馬氏體相變外，其他相變的孕育期采用了累加法，所有相變量的計算采用了相應的Avrami公式。在每一計算時間步結束，金屬內部溫

6、度場數據通過插補運算，得到FEPG結點的溫度分布，用于后面的有限元計算。 論文分析了固體的彈塑性模型。模型考慮了彈性應變、溫度變化引起的應變、相變引起的應變、塑性應變。用實例計算了H13模具在高壓氣淬過程中的變形。模擬和實測的結果相符合。 研究實行了用有限元方法實現了換熱系數反求法。用二維和三維的有限元法，可以考慮金屬換熱面對換熱系數的影響。用計算的換熱系數驗證試件中心的換熱系數，發(fā)現計算溫度和實測溫度相符。 為