一種基于ABAQUS對機械構(gòu)件淬火瞬態(tài)溫度場的仿真方法

孫建香

摘 要：以煤礦機械中的常見零件為例，通過使用Abaqus軟件，采用熱物性參數(shù)隨溫度變化的取值形式，對外形較為復(fù)雜的該零件的淬火過程進(jìn)行了有限元計算，得到了該零件隨淬火時間的瞬態(tài)溫度場分布結(jié)果。

關(guān)鍵詞：煤礦機械 淬火 瞬態(tài)溫度場

中圖分類號：TG156.34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0225-02

1 瞬態(tài)溫度場的數(shù)學(xué)建模

2 瞬態(tài)溫度場仿真的參數(shù)設(shè)定

在傳統(tǒng)的瞬態(tài)溫度場模擬時，為了減小計算規(guī)模，往往假定零件材料的物理參數(shù)為恒定不變值。但得到的仿真結(jié)果往往與實際測試得到的結(jié)果存在著一定的誤差。本文為了嚴(yán)格控制計算精度，將物性參數(shù)設(shè)定為非線性量，即將熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容等值設(shè)為隨溫度值變化而變化的函數(shù)量。本次試驗所選用的試件為45鋼，淬火液為水，試件的熱物性參數(shù)變化情況如表1、表2和表3所示。

3 瞬態(tài)溫度場模擬運算

如圖1所示，本次試驗的試驗零件為一煤礦機械中常用的非標(biāo)件。其材料為45鋼，整體加熱至850 ℃進(jìn)行保溫，待其奧氏體化充分后，放入20 ℃的冷卻液（水）中進(jìn)行淬火，模擬其淬火過程的溫度場分布。

3.1 仿真前處理

實體建模：由圖1所給出的零件尺寸，在Abaqus軟件的Part界面內(nèi)完成零件的實體建模。為了保證運算正確，單位統(tǒng)一為mm。

（2）賦予材料屬性：根據(jù)實驗[1]表明，45鋼的密度隨溫度的變化而改變不大，故將其設(shè)為常數(shù)。查機械材料手冊，得其密度為7833 kg/m3。由于未涉及殘余壓應(yīng)力場的分析，故無需提供45鋼的彈性模量和泊松比。其CT、k、hc的數(shù)據(jù)分別按照表1、表2和表3輸入，以保證仿真結(jié)果的可靠性和真實性。

（3）設(shè)置分析步：在Step界面內(nèi)完成分析步的設(shè)定。分析步類型為Heat transfer，且為非線性瞬態(tài)分析，時間設(shè)定為51s。在Incrementation內(nèi)的Type選擇固定模式，分析步的最多數(shù)量設(shè)為10000，Increment size輸入1，即表示時間步長固定為1s。在場變量結(jié)果輸出欄內(nèi)將Thermal打勾即為全選。

（4）設(shè)置淬火：在Interaction界面內(nèi)，選擇Create interaction，對流換熱系數(shù)按照表4所示作為Amplitude輸入，由于淬火液是水，故將淬火液溫度設(shè)定為20℃。淬火區(qū)域設(shè)定為除了截面以外的所有面。

（5）劃分網(wǎng)格：此項工作在Abaqus軟件的Mesh界面內(nèi)完成。單元類型為DC3D20，對于局部部位的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化。由于該零件結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，故為了減少不必要的運算量，采用1/4結(jié)構(gòu)的有限元運算模型進(jìn)行計算。

（6）預(yù)定義溫度場。選取與（4）相同的區(qū)域，在Predefined Field Manager里設(shè)定初始溫度為850 ℃。

3.2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)仿真計算，得到了零件的淬火過程在51 s內(nèi)各部位的溫度場實時分布。圖2至圖4分別顯示了零件在1 s、10 s和51 s的表面和心部的溫度場。從圖2可以看出，在淬火到1s時，零件邊緣的溫度明顯降低，而心部的溫度依然很高，這是由于輪緣狀物體的邊緣淬透性很大，仿真結(jié)果與實際相符。

隨著淬火過程的繼續(xù)，零件表面的溫度繼續(xù)明顯降低，但溫降速率逐漸被心部溫降的速率所超過。圖5是所關(guān)心的A至E點在淬火過程中的溫度值曲線。A點處于零件輪緣外交線上，所以在淬火一開始時，溫度下降極為明顯；C點和D點之間之所以差別比較明顯，是因為零件內(nèi)部熱源的補充，使得溫降速度不一致。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬仙.淬火過程數(shù)值模擬研究進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程，1999（3）：59-63：.

[2] 殷雯，雷宏.對稱鋼件淬火過程溫度場分布的數(shù)值模[J].集美大學(xué)學(xué)報，1998（3）：55-57.endprint

摘 要：以煤礦機械中的常見零件為例，通過使用Abaqus軟件，采用熱物性參數(shù)隨溫度變化的取值形式，對外形較為復(fù)雜的該零件的淬火過程進(jìn)行了有限元計算，得到了該零件隨淬火時間的瞬態(tài)溫度場分布結(jié)果。

關(guān)鍵詞：煤礦機械 淬火 瞬態(tài)溫度場

中圖分類號：TG156.34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0225-02

1 瞬態(tài)溫度場的數(shù)學(xué)建模

2 瞬態(tài)溫度場仿真的參數(shù)設(shè)定

在傳統(tǒng)的瞬態(tài)溫度場模擬時，為了減小計算規(guī)模，往往假定零件材料的物理參數(shù)為恒定不變值。但得到的仿真結(jié)果往往與實際測試得到的結(jié)果存在著一定的誤差。本文為了嚴(yán)格控制計算精度，將物性參數(shù)設(shè)定為非線性量，即將熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容等值設(shè)為隨溫度值變化而變化的函數(shù)量。本次試驗所選用的試件為45鋼，淬火液為水，試件的熱物性參數(shù)變化情況如表1、表2和表3所示。

3 瞬態(tài)溫度場模擬運算

如圖1所示，本次試驗的試驗零件為一煤礦機械中常用的非標(biāo)件。其材料為45鋼，整體加熱至850 ℃進(jìn)行保溫，待其奧氏體化充分后，放入20 ℃的冷卻液（水）中進(jìn)行淬火，模擬其淬火過程的溫度場分布。

3.1 仿真前處理

實體建模：由圖1所給出的零件尺寸，在Abaqus軟件的Part界面內(nèi)完成零件的實體建模。為了保證運算正確，單位統(tǒng)一為mm。

（2）賦予材料屬性：根據(jù)實驗[1]表明，45鋼的密度隨溫度的變化而改變不大，故將其設(shè)為常數(shù)。查機械材料手冊，得其密度為7833 kg/m3。由于未涉及殘余壓應(yīng)力場的分析，故無需提供45鋼的彈性模量和泊松比。其CT、k、hc的數(shù)據(jù)分別按照表1、表2和表3輸入，以保證仿真結(jié)果的可靠性和真實性。

（3）設(shè)置分析步：在Step界面內(nèi)完成分析步的設(shè)定。分析步類型為Heat transfer，且為非線性瞬態(tài)分析，時間設(shè)定為51s。在Incrementation內(nèi)的Type選擇固定模式，分析步的最多數(shù)量設(shè)為10000，Increment size輸入1，即表示時間步長固定為1s。在場變量結(jié)果輸出欄內(nèi)將Thermal打勾即為全選。

（4）設(shè)置淬火：在Interaction界面內(nèi)，選擇Create interaction，對流換熱系數(shù)按照表4所示作為Amplitude輸入，由于淬火液是水，故將淬火液溫度設(shè)定為20℃。淬火區(qū)域設(shè)定為除了截面以外的所有面。

（5）劃分網(wǎng)格：此項工作在Abaqus軟件的Mesh界面內(nèi)完成。單元類型為DC3D20，對于局部部位的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化。由于該零件結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，故為了減少不必要的運算量，采用1/4結(jié)構(gòu)的有限元運算模型進(jìn)行計算。

（6）預(yù)定義溫度場。選取與（4）相同的區(qū)域，在Predefined Field Manager里設(shè)定初始溫度為850 ℃。

3.2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)仿真計算，得到了零件的淬火過程在51 s內(nèi)各部位的溫度場實時分布。圖2至圖4分別顯示了零件在1 s、10 s和51 s的表面和心部的溫度場。從圖2可以看出，在淬火到1s時，零件邊緣的溫度明顯降低，而心部的溫度依然很高，這是由于輪緣狀物體的邊緣淬透性很大，仿真結(jié)果與實際相符。

隨著淬火過程的繼續(xù)，零件表面的溫度繼續(xù)明顯降低，但溫降速率逐漸被心部溫降的速率所超過。圖5是所關(guān)心的A至E點在淬火過程中的溫度值曲線。A點處于零件輪緣外交線上，所以在淬火一開始時，溫度下降極為明顯；C點和D點之間之所以差別比較明顯，是因為零件內(nèi)部熱源的補充，使得溫降速度不一致。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬仙.淬火過程數(shù)值模擬研究進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程，1999（3）：59-63：.

[2] 殷雯，雷宏.對稱鋼件淬火過程溫度場分布的數(shù)值模[J].集美大學(xué)學(xué)報，1998（3）：55-57.endprint

摘 要：以煤礦機械中的常見零件為例，通過使用Abaqus軟件，采用熱物性參數(shù)隨溫度變化的取值形式，對外形較為復(fù)雜的該零件的淬火過程進(jìn)行了有限元計算，得到了該零件隨淬火時間的瞬態(tài)溫度場分布結(jié)果。

關(guān)鍵詞：煤礦機械 淬火 瞬態(tài)溫度場

中圖分類號：TG156.34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0225-02

1 瞬態(tài)溫度場的數(shù)學(xué)建模

2 瞬態(tài)溫度場仿真的參數(shù)設(shè)定

在傳統(tǒng)的瞬態(tài)溫度場模擬時，為了減小計算規(guī)模，往往假定零件材料的物理參數(shù)為恒定不變值。但得到的仿真結(jié)果往往與實際測試得到的結(jié)果存在著一定的誤差。本文為了嚴(yán)格控制計算精度，將物性參數(shù)設(shè)定為非線性量，即將熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容等值設(shè)為隨溫度值變化而變化的函數(shù)量。本次試驗所選用的試件為45鋼，淬火液為水，試件的熱物性參數(shù)變化情況如表1、表2和表3所示。

3 瞬態(tài)溫度場模擬運算

如圖1所示，本次試驗的試驗零件為一煤礦機械中常用的非標(biāo)件。其材料為45鋼，整體加熱至850 ℃進(jìn)行保溫，待其奧氏體化充分后，放入20 ℃的冷卻液（水）中進(jìn)行淬火，模擬其淬火過程的溫度場分布。

3.1 仿真前處理

實體建模：由圖1所給出的零件尺寸，在Abaqus軟件的Part界面內(nèi)完成零件的實體建模。為了保證運算正確，單位統(tǒng)一為mm。

（2）賦予材料屬性：根據(jù)實驗[1]表明，45鋼的密度隨溫度的變化而改變不大，故將其設(shè)為常數(shù)。查機械材料手冊，得其密度為7833 kg/m3。由于未涉及殘余壓應(yīng)力場的分析，故無需提供45鋼的彈性模量和泊松比。其CT、k、hc的數(shù)據(jù)分別按照表1、表2和表3輸入，以保證仿真結(jié)果的可靠性和真實性。

（3）設(shè)置分析步：在Step界面內(nèi)完成分析步的設(shè)定。分析步類型為Heat transfer，且為非線性瞬態(tài)分析，時間設(shè)定為51s。在Incrementation內(nèi)的Type選擇固定模式，分析步的最多數(shù)量設(shè)為10000，Increment size輸入1，即表示時間步長固定為1s。在場變量結(jié)果輸出欄內(nèi)將Thermal打勾即為全選。

（4）設(shè)置淬火：在Interaction界面內(nèi)，選擇Create interaction，對流換熱系數(shù)按照表4所示作為Amplitude輸入，由于淬火液是水，故將淬火液溫度設(shè)定為20℃。淬火區(qū)域設(shè)定為除了截面以外的所有面。

（5）劃分網(wǎng)格：此項工作在Abaqus軟件的Mesh界面內(nèi)完成。單元類型為DC3D20，對于局部部位的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化。由于該零件結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，故為了減少不必要的運算量，采用1/4結(jié)構(gòu)的有限元運算模型進(jìn)行計算。

（6）預(yù)定義溫度場。選取與（4）相同的區(qū)域，在Predefined Field Manager里設(shè)定初始溫度為850 ℃。

3.2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)仿真計算，得到了零件的淬火過程在51 s內(nèi)各部位的溫度場實時分布。圖2至圖4分別顯示了零件在1 s、10 s和51 s的表面和心部的溫度場。從圖2可以看出，在淬火到1s時，零件邊緣的溫度明顯降低，而心部的溫度依然很高，這是由于輪緣狀物體的邊緣淬透性很大，仿真結(jié)果與實際相符。

隨著淬火過程的繼續(xù)，零件表面的溫度繼續(xù)明顯降低，但溫降速率逐漸被心部溫降的速率所超過。圖5是所關(guān)心的A至E點在淬火過程中的溫度值曲線。A點處于零件輪緣外交線上，所以在淬火一開始時，溫度下降極為明顯；C點和D點之間之所以差別比較明顯，是因為零件內(nèi)部熱源的補充，使得溫降速度不一致。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬仙.淬火過程數(shù)值模擬研究進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程，1999（3）：59-63：.

[2] 殷雯，雷宏.對稱鋼件淬火過程溫度場分布的數(shù)值模[J].集美大學(xué)學(xué)報，1998（3）：55-57.endprint