有限元热处理分析
基于有限元法的热处理过程数值模拟与优化
基于有限元法的热处理过程数值模拟与优化热处理是一种常用的工艺方法，在制造业中广泛应用于改变材料性能和提高材料的使用寿命。
而基于有限元法的热处理过程数值模拟与优化是一种重要的工具，可以帮助工程师预测和改善热处理过程中的性能和效果。
有限元法是一种数值计算方法，可以将复杂的物理问题分割成许多简单的单元，通过对单元内部的物理行为进行建模，最终得到整个物体的行为。
在热处理过程中，有限元法可以用来模拟材料的温度分布、相变、应力和变形等物理过程。
通过模拟和分析，工程师可以了解热处理过程中的热传导、相变和应力分布等关键参数，从而评估和优化热处理工艺。
在进行基于有限元法的热处理过程数值模拟之前，首先需要建立准确的模型。
这个模型要考虑材料的物理性质、热传导的方向和速率，以及外部环境的影响等因素。
通过使用专业的建模软件，可以建立几何形状与材料特性之间的关联。
然后，根据热处理过程的特点，确定适当的边界条件和初始条件。
一旦模型建立完成，就可以进行数值模拟。
数值模拟的过程中，有限元法将模型分割成许多小的单元，计算每个单元内的温度分布、相变和应力变化等。
为了准确地描述这些物理过程，需要采用合适的数学方程和数值计算方法。
常用的数学方程包括热传导方程、相变方程和力学方程，而数值计算方法则包括有限差分法、有限体积法和有限元法。
在进行数值模拟时，还需要考虑材料的热物性参数和热处理过程中的相变行为。
这些参数通常通过实验或已知数据获得。
热物性参数包括热导率、比热容和界面传热系数等，而相变行为包括固态和液态之间的相变过程。
通过考虑这些参数和行为，可以更准确地模拟和预测热处理过程中的温度和应力分布。
此外，基于有限元法的热处理过程数值模拟还可以用于优化热处理工艺。
通过改变热处理过程中的工艺参数，如温度、保温时间和冷却速度等，可以对材料的组织和性能进行优化。
通过数值模拟，可以评估不同工艺参数对材料性能的影响，从而找到最佳的热处理工艺。
总的来说，基于有限元法的热处理过程数值模拟与优化是一种重要的工具，可以帮助工程师更好地了解热处理过程中的物理行为和参数，提高热处理工艺的效果和质量。
所以在有限元模拟计算中,利用蠕变本构方程计算热处理过程中的应力松弛行为,
蠕变是指材料在恒定应力或荷载下，随时间的推移而发生形变。
在有限元模拟计算中，利用蠕变本构方程可以计算材料在热处理过程中的应力松弛行为。
蠕变本构方程描述了材料的应力-应变关系，常用的蠕变本构方程有Norton、Dorn和Sherby-Dorn等形式。
在有限元模拟计算中，针对不同材料的蠕变行为，需要选择适当的蠕变本构方程。
这些方程以实验数据为基础，通过曲线拟合等方法得到。
下面是一些常用的参考内容，用于模拟材料在热处理过程中的应力松弛行为。
1.Norton本构方程： Norton本构方程是最早应用于蠕变研究的方程之一，它假设材料的蠕变变形由渐进微裂纹的扩展引起。
Norton方程可以写成如下形式：ε ̇=ε ̇s(σ) 其中，ε ̇为应变速率，ε ̇s为材料的引导应变速率，σ为应力。
Norton方程常用于描述金属和陶瓷等材料的蠕变行为。
2.Dorn本构方程： Dorn本构方程常用于描述塑料材料的蠕变行为，特别是在中高温下。
Dorn方程可以写成如下形式：σ=σ0(1+ε ̇/˙ε0)^n 其中，σ为应力，σ0为参考应力，ε ̇为应变速率，˙ε0为参考应变速率，n为指数。
Dorn方程通过参数σ0和n来描述材料的蠕变行为。
3.Sherby-Dorn本构方程： Sherby-Dorn本构方程适用于金属和合金的高温蠕变行为。
Sherby-Dorn方程可以写成如下形式：ε ̇=Aσ^mexp(-Q/RT) 其中，ε ̇为应变速率，σ为应力，A为常数，m为指数，Q为激活能，R为气体常数，T为温度。
Sherby-Dorn方程通过参数A、m、Q来描述材料的蠕变行为。
除了选择合适的蠕变本构方程外，有限元模拟计算中还需要考虑材料的初始条件、边界条件以及模拟的时间步长等因素。
此外，要进行有限元模拟计算还需要确定材料的杨氏模量、泊松比等弹性性质，这些参数可以通过实验测量或者经验公式来估计。
需要注意的是，蠕变行为是一个复杂的物理过程，受多种因素影响，如温度、应力、时间等。
带轮淬火过程的有限元分析(毕业设计说明书论文模板)
带轮淬火过程的有限元分析摘要【为分析带轮淬火过程中的各场量变化情况，利用ANSYS的热分析功能对带轮进行瞬态热传递分析。
以采用实体单元离散带轮模型及设定时间历程变量的方法来研究锻造带轮在终锻后进行淬火的过程，分析其表面到中心各个部分的温度变化。
】关键词：淬火，数值模拟，有限元法，热分析Belt wheel quenching process based on finite element analysisABSTRACT【Analysis of quenching process for belt wheel in the field variation, The use of ANSYS thermal analysis function of belt wheel for transient heat transfer analysis. By using the solid element discrete belt wheel model and setting the time history variable approach to the study of forging belt wheel in the end after forging quenching process. Analysis of the surface to the center of the various parts of the temperature change.】KEY WORDS: Quench，Numerical simulation，The finite element method，Thermal analysis目录前言 (1)第1章问题描述 (3)1.1 设置带轮初始条件 (3)第2章问题的分析 (5)2.1 瞬态热分析 (5)2.2 分析模型的选择 (5)2.3求解的问题 (6)第3章带轮瞬态热分析的求解过程 (7)3.1 建立工作文件名和工作标题 (7)3.2 定义单元类型 (7)3.3 定义材料性能参数 (8)3.4创建几何模型、划分网络 (9)3.5加载求解 (20)3.6查看求解结果 (23)第四章命令流文件 (36)第五章实验结论 (42)谢辞 (43)参考文献 (44)附录 (46)外文资料翻译 (47)前言【有限元法是以电子计算机为手段的“电算”方法，它以大型问题为对象，未知的个数可以成千上万，因而为解决复杂的力学问题提供了一个有效的工具并被广泛应用于分析其他各种问题，尤其是热分析中的场问题，甚至成了该领域主要的分析方法。
石油套管热处理残余应力的有限元分析
过程 中，当达到材 料 的固 、液 相线温 度时 ，温度下 降的速度变慢 ，这 是 由于 此过程 中释放 的相变潜 热导致 ，使温度 变化 曲线出现 了一个 缓 慢变化 的平 台。 （） ２ 热传导 率对 残余 应力有 一定 的影 响 。通过计 算得 出 ，热传 导 率越大 ，套 管淬火后 的残余应 力越小 。
火温 度在６ Ｏ ６ ℃时效果最好 。
主要 因素 就是材 料 的热传 导率 。采用 Ｂ ＩＯ 套 管 与Ｎ８级套 管作 比 ＴＯＨ ０
较。
由计算结果 可知 ，材料 的热传 导系数越 小 ，淬火冷却 时产生 的残 余应力也 越大 。这是 因为 ，随着热传 导系数 的增 加 ，套管 的导热性 也 就越好 。导热率越 小 ，在淬火 冷却 时 ，套 管表面 和心部 的温差越 大 ， 最终导致淬火 的残余应力 的增 大。
ｌｒｅｓ ｅ Ｓ ２ ｔｅ ｄｅｂｏ ｋ ［ ．１ ｔＣｏ ｇｅｓｏ ｔｒａｉｎ ｌ ａｇ －ｉ ｄＡＩ ＩＰ ０ｓｅｌ ｉ ｌｃ ｓＡ］ ４ｈ ｎ ｒｓ ｆ ｎｅ ｔ ａ ｚ Ｉ ｎ ｏ Ｆ ｄ ｒｔ ｎ ｆｒＨｅ ｔ ｒａｍｅ ｔ ｎ ｕｆｃ ｎ ｉｅｒｎ ［ ］ Ｓ ａ ｇ ａｊ ｅ ｅａｉ ｏ ａ ｅ ｔ ｎ ｄＳ ｒａ ｅＥ ｇｎ ｅｉｇＣ ． ｈ ｈ ｈ ， ｏ Ｔ ａ
１参数的确定 ．
在石油套 管热处理 的有限元模 拟过程 中 ，需要 用到密 度 、弹性模
量 、泊松 比、塑 性应 力一应 变关 系、线膨 胀系数 等力学物 理参数 以及 热传 导系数 、比热容 、相变 潜热等 热物理 参数 。相 关 的热物理参 数如
手册 即可 获得。
湘ｒ ｃ
■ ｃ
石油套管 主要 用于钻井 过程 中和完井后 对井壁 的支撑 ，以保证钻
有限元分析及应用
有限元分析及应用有限元分析是一种数值计算方法，用于解决各种工程和科学领域中的复杂问题。
该方法基于物体或结构的离散性近似模型，将其分割成许多小的子领域，进而进行数学求解。
有限元分析广泛应用于结构力学、流体力学、电磁学、热传导等领域，在工程设计、产品开发和科学研究中发挥着重要作用。
一、有限元分析的原理有限元分析的核心原理是将一个复杂的物体或结构离散为许多互相连接的小尺寸单元，如三角形或四边形。
每个单元被视为一个小的、局部的子问题，并假设在每个单元内部的场变量（如位移、温度、电势等）为局部常数。
根据这一假设，可以建立一个局部方程来描述每个单元内部的行为。
为了求解整个系统的行为，将这些局部方程组合为一个整体方程组，并且采用边界条件来限制解的自由度。
然后，通过求解整体方程组，就可以得到整个系统在给定加载条件下的响应。
二、有限元分析的步骤有限元分析通常需要经过以下几个步骤：1. 几何建模：将待分析的物体或结构建立几何模型，包括定义节点、边界和连接关系等。
2. 单元划分：将几何模型划分为许多小的单元，选择合适的单元类型和尺寸。
3. 材料属性和加载条件：分配材料属性和加载条件给每个单元，如材料的弹性模量、材料的线性或非线性特性以及加载的力、温度等。
4. 单元方程建立：根据每个单元的几何形状和材料特性，建立每个单元内部的方程。
5. 整体方程建立：将所有单元的方程组合成一个整体方程，引入边界条件和约束条件。
6. 方程求解：通过数值方法（如矩阵解法）求解整体方程组。
7. 结果后处理：根据求解得到的结果，进行分析和后处理，如位移、应力和应变的计算、轴力图、位移云图等的绘制。
三、有限元分析的应用有限元分析已经应用于各种领域，主要包括以下几个方面：1. 结构力学：有限元分析可以用于评估结构的强度和刚度，预测结构的变形和破坏情况。
它广泛应用于建筑、桥梁、汽车、飞机等结构的设计和优化。
2. 流体力学：有限元分析可以用于模拟流体力学问题，如流体流动、传热和传质等。
第三讲 温度场的有限元分析
2T 2T 2 0 2 x y
T ( x, y ) f ( x, y )
平面稳态温度场的有限元法
• 2、平面稳态温度场的泛函 第二类边界条件平面稳态温度场
T 2 T 2 k J [T ( x, y )] [( ) ( ) ]dxdy qTds y 2 x 1
边界面上的热流密度q[w/m2]为已知
2T 2T 2 0 2 x y
T k n
q 0
1
平面稳态温度场的有限元法
• 2、平面稳态温度场的泛函 第三类边界条件平面稳态温度场
k T 2 T 2 1 2 J [T ( x, y )] [( ) ( ) ]dxdy ( T TaT )ds 2 x y 2 1
n
第三类边界条件： 给出物体周围介质温度以及物 体表面与周围介质的换热系数 T ＝ T w T f n
• 上述三类边界条件中，以第三类边界条件最为常 见。
传热基本原理
h,
h
温度场基本方程推导
• 一般三维问题，物体各点 的温度是坐标和时间变化 的，即
q q z z dz z
传热基本原理
• 上述偏微分方程式是传热学理论中的最 基本公式，适合于包括铸造、焊接、热 处理过程在内的所有热传导问题的数学 描述，但在对具体热场进行求解时，除 了上述偏微分方程外，还要根据具体问 题给出导热体的初始条件与边界条件。
传热基本原理
对具体热场用上述微分方程进行求解时，需要根据具体问 题给出导热体的初始条件与边界条件。
回顾第二讲
什么是插值函数、形函数？ 什么是应变矩阵、应力矩阵？ 什么是单元刚度矩阵？ 什么是整体刚度矩阵？ 有限元基本步骤？
大型热处理井式炉基坑结构有限元分析设计
【 摘 要】 采用通用有 限元计 算程序 Ｓ Ｐ ０ ０ 目前 亚洲规模 最大的井式炉基坑进行 了有限元计算分析 ， Ａ ２０ 对 并在此基
础 上进行确保建筑安全可靠的结构设计 ， 满足 了日 常使用要 求。
【 ｂｔ ｃ］ｓｇ ｅｎｅｌ ｅ ｐ ｇ ｍＳＰ００ ｈＡｉ ｌｇｓ ｅｔ ｅｆａ ｆ ｎａｏｉ ａｚ ａｄｅｇｅ Ｉ ａｂｓ ｎ Ａ ｓａｔ ｉ ｔ ｆｉ－ｅ ｎ ｒ ｒ Ａ ２０，ｅ ｓｎ ｒ ｔ ｌｙ ｆｎｃ ｏ ｄｉ ｓ ｌ ｅ ｎｄｓｎｄ ｔ ｅｅ ｒ Ｕ ｎ ｈ ｉ ｔｅｍ ｔ ｏ ａ ｔ ａ ａ ｅ ｗ ｌ ｐ ｌ ｅ ｕ ｔｎ ａ ｙ ｄ ｎ ｉ ． ｃ ｅ ｎ
大型 热 处 理 井 式 炉基 坑 结 构 有 限元 分析 设 计
Ｔｈ Ｆ ｎｔ ｌｍ ｅ ｔ ａｙ ｉａ ｄ ｓｇ ｏ ｔｅ ａｇ Ｗ ｅｌ ｙ ｅ ｕ ａ ｅ ｏ ｄ ｔ ｎ ｅ ｉｉ Ｅ ｅ ｎ Ａｎ ｌｓｓ ｎ Ｄｅｉ ｎ ｆｈ Ｌ ｒ ｅ ｅ ｌ Ｔ ｐ Ｆ ｒ ｃ Ｆ ｕ ａｉ ｎ ｏ
【 作者简介】 陈耀 武（９ ５ ）男， １７ 一 ， 湖北武汉人， 高级工程师， 从事结
构 工程设计与研究 ，电子信箱） ｈ ｎ ｗ ｈ ａ ｕ ． ｍ。 （ ｃ ｅ ｙ ＠ｃ ｉ ｃ ｃ ｏ ｎ ｃ
图 ２ 基 坑 有 限 元模 型
１０ ４
基础工程设计 Ｉ
Ｅｉｒ ｉｏｅｒｄ ｒｅｎ ｅｎ ｔ ｏ ￣ ｅｇ ｓ ｈ ｕＩ ｎｌＤｇｆ ｎ Ｇ
∞ Ｏ Ｏ Ⅺ Ｏ Ｏ ０ Ｏ ８ ∞ ∞ Ⅲ Ｏ ８ Ｏ 勰 ８ ｇ ∞ ∞ ８ Ｏ 。 ∞
７
结构平 台刚度相对于基坑很小 ， 模型 中只考虑荷载 ， 不考虑其
口
刚度贡献。
２ 边界约束 条件 ： ） 底板 中心点约束 、 向平动 ， ｙ方 底板 其余点约束 ｚ方向平动 ， 结构整体模型如图 ２ 所示 。
热处理工艺设计有限元分析软件
优点
在保证热处理质量的前提下降低热处理成本，比如渗碳时间 节约热处理零件后加工成本 提高热处理零件质量
热处理零件设计
在零件初始设计阶段考虑热处理的影响 对改新设计的热处理过程预测
DANTE 是经实验验证热处理模拟软件
DANTE® 模拟分析方法
CAD & Model Building
dante热处理工艺分析软件模拟分析结果?残余应力?碳分布?微观结构相分布?硬度分布?热处理变形预测dante?功能介绍残余应力碳分布怎样应用dante?节约制造成本提高设计质量通过软件来模拟实验了解热处理工艺参数对变形残余应力微观组织和硬度的影响排除热处理工艺问题改进和优化热处理工艺优点节约热处理零件后加工成本提高热处理零件质量热处理零件设计在零件初始设计阶段考虑热处理的影响对改新设计的热处理过程预测dante是经实验验证热处理模拟软件确定造成热处理变形缺陷等问题的原因在保证热处理质量的前提下降低热处理成本比如渗碳时间cadmodelbuildingdante?模拟分析方法微观组织变形残余应力dante?模拟的典型零件dante?软件的结构dante
斜锥齿轮淬火模拟:温度和奥氏体
斜锥齿轮淬火模拟:最大最小主应力
汽车曲轴件感应淬火过程模拟:
感应加热3.0秒后的温度场
油孔周围的温度场分布不均匀
汽车曲轴件感应淬火过程模拟:
感应加热3秒后奥氏体分布
奥氏体层大概 2.5 mm
汽车曲轴件感应淬火过程模拟:
冷却过程中两个关键位置的内应力变化
齿轮热处理过程中表面脱碳模拟
相变模型及参数确定
Custom kinetics model:
Kinetics based on dilatometry data Kinetics based on TTT curves Kinetics based on CCT curves Kinetics based on Jominy data
温度场有限元计算的研究(1)
温度场有限元计算的研究（1）温度场有限元计算的研究（1）温度场有限元计算是一种常用的研究方法，通过对温度场进行数值模拟，可以预测和分析材料的温度分布和热传导行为。
在工程领域中，温度场有限元计算在热处理过程、电子元器件设计、建筑能耗分析等方面具有广泛的应用。
温度场有限元计算的基本原理是将具体问题抽象为数学模型，并使用有限元方法进行数值求解。
具体而言，温度场有限元计算包括以下几个步骤：建立几何模型、划分网格、确定边界条件、建立求解方程、求解方程组、分析结果。
首先，建立几何模型是温度场有限元计算的基础。
根据具体问题的几何形状，可以建立相应的三维或二维模型，如直线、圆柱、矩形等。
随后，将几何模型划分为有限个单元，每个单元用于近似表示整个模型。
常用的单元包括三角形单元、四边形单元等。
然后，确定边界条件是温度场有限元计算的重要一步。
边界条件包括温度边界条件和热流边界条件。
温度边界条件是指在边界上给定的温度值，如固定温度、恒定流体温度等。
热流边界条件是指在边界上给定的热流密度，如散热器边界、辐射边界等。
接下来，建立求解方程是温度场有限元计算的核心。
常用的求解方程包括热传导方程和边界条件方程。
热传导方程描述了温度场的传热行为，可以根据材料的热传导性质和几何模型的特征进行推导。
边界条件方程则根据具体问题的边界条件进行建立。
在建立求解方程后，进行方程组的求解。
由于常规的求解方法通常难以精确求解大规模的方程组，因此需要使用数值方法进行求解，如有限元法。
有限元法将求解域分为有限个单元，每个单元内部采用多项式函数进行近似，从而将原问题转化为离散的代数问题。
最后，进行结果分析。
通过求解方程组得到的温度场数据可以进一步分析，如计算平均温度、最大温度等。
此外，还可以分析材料的温度分布特征和热传导行为，为工程设计和优化提供参考。
综上所述，温度场有限元计算是一种有效的研究方法，能够预测和分析温度场的变化规律和热传导行为。
在实际应用中，温度场有限元计算可以用于解决各种与温度相关的工程问题，为优化设计和节能减排提供支持。
有限元分析实例2
29 9
VM144, BENDING OF A COMPOSITE BEAM
分析结果比较
SHELL99 model Displacement, in StressxTOP , psi StressxBOT , psi SHELL99 model (with node offset) Displacement, in StressxTOP , psi StressxBOT , psi SOLID46 model Displacement, in StressxTOP , psi StressxBOT , psi Target 0.832 2258. 1731. Target 0.832 2258. 1731. Target 0.832 2258. 1731. Analysis 0.832 2258. 1731. Analysis 0.832 2258. 1731. Analysis 0.832 2258. 1731. Ratio 1.000 1.000 1.000 Ratio 1.000 1.000 1.000 Ratio 1.000 1.000 1.000
80°F
0.014 Btu/(hr-in2°F) 80°F
建模、划分网格、加载边界条件和初始条件
铸件凝固过程中的热焓变化
1 ENTH FOR MATERIAL 2
200 180 160 140 120
ENTH
ENTH
100 80 60 40 20 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250
(边界上给定温度） (边界上给定热流密度） (边界上给定对流换热）
微元升温所需热量应与传入微元的热量和微体内 部产生的热量平衡。
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圆柱热处理仿真加工分析报告
一、建立加工方案，确立加工方案
坯料为直径300mm，高度500mm圆柱。
如图1。
上模为直径420mm，高150mm的圆柱，如图2。
下模为直径500mm，高150mm的圆柱，如图3。
图1
图2 图3
二、依据加工方案建模，合模状态图如下图
装配图
三、模型前处理
对坯料进行网格处理，设计适当的网格长度。
设置坯料的材料为
添加上下模。
定义坯料的热处理面，如下图
将上下模的温度设置为800度，点击如图
对系统中心设置，点击如下图所示
对工件关系进行设置，点击如下图
点击进行校核并生成，然后保存，点击退出。
四、后处理及结果分析。