激光表面淬火在ANSYS中的数值模拟
45钢零件淬火过程温度场的ansys模拟[1]
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2003年3月重庆大学学报Mar.2003 第26卷第3期Journal of Chongqing University Vol.26 No.3 文献编号:1000-582(2003)03-0082-0345钢零件淬火过程温度场的ansys模拟Ξ赖 宏,刘天模(重庆大学材料科学与工程学院,重庆 400044)摘 要:ansys有限元软件在温度场的模拟过程中,很好地结合了材料变温过程材料热物性参数的变化,特别适用于钢件淬火过程温度场的准确计算。
通过利用ansys有限元分析软件对几何外形复杂的45钢零件淬火过程温度场进行有限元模拟,得到了零件温度随淬火时间的分布关系。
模拟结果与实际过程一致,且运算速度较快,适用于淬火液的选取及淬火工艺的优化,并为精确计算淬火过程中的热应力、残余应力做好了准备工作。
关键词:淬火;温度场;有限元;ansys模拟;非线性热物性参数中图分类号:TG156.34文献标识码:A 在淬火冷却过程中,因为零件内部温度分布不均匀,组织转变过程的不均匀而形成热应力和相变应力,这些应力的存在将直接影响零件的组织性能和使用寿命。
如果热处理不当,将会造成零件组织性能达不到预定要求,甚至会产生过量变形或开裂而报废。
生产实践表明,淬火冷却过程是热处理工艺中返修率最高和废品率最高的工序,是热处理质量控制中最难掌握的环节。
要评估淬火件的组织转变情况及淬火残余应力,必须确定淬火冷却过程零件材料内部的温度随时间的分布规律。
因而淬火过程温度场的确定是优化热处理工艺、提高零件内在质量的主要依据。
淬火过程温度分布的传统分析方法是实验测定和经验判断。
由于淬火是一个相当复杂的过程,受多种因素影响,而各影响因素之间又相互作用、相互制约。
因此传统的方法不能完整、全面、准确地分析和预测淬火过程的温度场[1]。
计算机模拟(仿真)可将热处理过程的物理现象和零件的几何造型有机地结合起来,实现动态的、逼真的模拟,因此用这一技术分析和研究淬火过程已受到高度重视。
曲轴表面激光冲击强化的数值仿真
文章编号:1004-2539(2010)08-0067-03曲轴表面激光冲击强化的数值仿真王红军(南京工业职业技术学院, 江苏南京 210046)摘要 应用ANSY S有限元分析软件,分析了激光冲击强化对柴油机曲轴过渡圆角处的残余应力分布影响,比较模拟结果与试验值,得到的模拟结果与试验值基本吻合,证明了有限元模拟的方法及模拟前相关参数制定的正确性。
通过ANSY S模拟,可优化激光冲击强化的相关参数,使曲轴过渡圆角处产生有利的残余应力场。
关键词 曲轴 激光冲击 强化 有限元Numerical Simulation of Laser Impacting R einforcementof the Crankshaft SurfaceWang H ongjun(Nanjing Institute of Industry T echnology,Nanjing210046,China)Abstract E ffect of laser im pacting rein forcement on the residual stress distribution of fillet for the diesel engine crankshaft is analyzed by ANSY S finite element analysis s oftware.The simulation results are com pared with the experi2 mental data,the simulation results are basically consistent with the experimental data.The finite element simulation method and related simulation parameters are correct is proved.The parameters of laser im pacting reinforcement are optimized by ANSY S simulation,and the residual stress fav orable distribution of the crankshaft fillet is obtained.K ey w ords Crankshaft Laser im pacting Reinforcement FE M0 引言由于曲轴结构复杂、刚性较差,在制造过程中又受到冷热加工等各种因素的影响,因此,处于工作状态的曲轴各部分应力分布是不均匀与交变的,尤其是在曲柄臂和过渡圆角部位会产生严重的应力集中[1-5]。
激光熔覆温度场的ANSYS模拟
激光熔覆温度场的ANSYS模拟一、激光熔覆数值模拟的意义和简单历程激光熔覆的工艺特点是高功率激光束与金属交互作用产生熔池,而后快速自冷凝固形成合金熔覆层。
用试验方法来测量熔池内熔体的流动和温度是非常困难的,并且,缺少理论模型指导的大量试验在费用上是相当昂贵的。
运用ANSYS数值模拟可在一定的模型下提供完整的流场、热场及热物性参量场信息,并易于进行参数控制和多因素比较,在实际应用中具有很重要的意义。
二、激光熔覆温度场的有限元模型模拟采用预置法,利用CO2激光器在热作塑料模具钢P20表面熔覆H13粉过程中的温度场,激光扫描速率v= 0.005 m/s,激光功率P = 1.5 KW,光斑大小D = 4 mm。
1. 前处理(1)建立模型。
本文所建立的激光熔覆三维模型:B为熔覆层为30×6×1.5mm3的长方体,网格划分采用了SOLID70六面体单元,单元体积大小为0.5mm3。
A为基体,采用了SPLID90四面体热单元网格。
位于覆层旁边的大小为:30×4×15 mm3,单元体积大小为1mm3;下面为30×10×15 mm3 的长方体,单元体积大小为2mm3。
经过这样的处理,大大的减少了模型单元数和节点数,从而节省了计算时间,提高了计算效率,且对计算结果的精度影响不大。
(2)定义材料属性。
在温度场数值模拟中,必须确定下列热物性参数:导热系数(W/m℃)、密度(kg/ m3)、比热容C (J/kg℃)、焓— Enthalpy (J/m3) 等,其一般都随温度的变化而变化。
通过试验和线性插值的方法可获得高温时的一些数据。
P20的热物理性能示于下表1。
对于覆层H13,因为厚度比较薄,只有1.5mm,故在取参数时,取它的平均值,其密度为7800Kg/m3,热导率为39.2W/(m℃)。
(3)热源模型及加载。
采用了高斯分布热源模型的近似处理,圆形的激光是近似为2×2mm2的正方形强积分区域;光强近似分为如图1实体填充图形所示:图中,中心光强为单位1,其他角上4个单元为0.6128,边上8个单元为0.7828;光源每次向前移动一个单元格,如图1中从实线轮廓到虚线轮廓的移动,以步进法移动激光来代替实际上连续移动的激光,原则上要求步长非常短,模拟采用的时间步长为0.5s。
热处理数值模拟技术在金属材料淬火过程中的预测与控制
热处理数值模拟技术在金属材料淬火过程中的预测与控制热处理是金属材料加工中非常重要的一道工艺环节，通过控制材料的冷却速度和温度变化，可以显著改变金属材料的组织和性能。
其中，淬火是一种常用的热处理方法，通过迅速冷却金属材料，使其快速固化，从而获得优良的材料性能。
然而，淬火过程中温度变化和冷却速度对材料性能的影响十分复杂，传统的试验方法往往耗时耗力，且无法直观地展示材料内部的温度和相变情况。
因此，利用数值模拟技术对金属材料淬火过程进行预测与控制，具有重要的实际意义。
数值模拟技术能够通过建立数学模型，模拟和分析物理现象，从而预测材料的性能。
在金属材料淬火过程中，数值模拟可以通过求解热传导方程、相变动力学方程和流体力学方程等，模拟材料的温度变化、相变行为和冷却速度等问题。
首先，数值模拟技术可以准确预测金属材料在淬火过程中的温度变化。
通过建立热传导方程，考虑热源、边界条件和材料热物性等因素，可以计算出材料的温度变化情况。
这种方法可以直观地展示材料内部的温度分布，进而分析和优化淬火过程中的冷却速度和处理温度。
其次，数值模拟技术还可以模拟和预测金属材料在淬火过程中的相变行为。
金属在淬火过程中会经历相变过程，如奥氏体向马氏体的转变。
通过建立相变动力学方程，考虑材料的成分、温度和冷却速度等参数，可以预测相变过程的发生时间和位置。
这有助于我们理解材料的组织演变机制，以及优化淬火处理以获得理想的材料性能。
此外，数值模拟技术还能够模拟金属材料在淬火过程中的冷却速度。
冷却速度对材料的相变行为和组织结构有着重要的影响。
通过建立流体力学方程，可以模拟金属材料的冷却过程，计算材料表面和内部的流体速度分布，进而推导出冷却速度。
这有助于我们优化淬火工艺，控制冷却速度，从而获得所需的材料性能。
总结来说，热处理数值模拟技术在金属材料淬火过程中的预测与控制具有非常重要的价值。
通过建立数学模型，模拟和分析材料的温度变化、相变行为和冷却速度等问题，可以提供直观、准确的预测结果，帮助我们理解淬火过程中的物理现象，优化热处理工艺，并获得理想的材料性能。
数值模拟技术在淬火过程中的应用研究
数值模拟技术在淬火过程中的应用研究淬火是一种重要的金属热处理过程，它可以显著改善金属的力学性能和物理性能。
在淬火过程中，金属材料经过加热后迅速冷却，以改变其晶体结构和微观组织，提高金属的硬度和强度。
然而，淬火过程复杂且涉及到多重物理和化学因素，使得实验研究困难重重。
为了更好地理解淬火过程，并提高淬火的效果，研究者开始采用数值模拟技术，通过对淬火过程的数值模拟来揭示其中的物理机制和优化淬火参数。
数值模拟技术在淬火过程中的应用主要包括两个方面：热传导模拟和相变模拟。
热传导模拟主要描述淬火过程中热量的传递和温度分布。
相变模拟则模拟金属材料的晶体结构和组织的变化过程。
首先，热传导模拟是淬火过程中的关键一环。
淬火过程中，瞬时高温区域周围的温度梯度决定了材料的边界条件，从而影响到材料的冷却过程和相变行为。
热传导模拟可以通过求解热传导方程来描述温度的分布和演化过程。
使用数值方法，如有限元法或有限差分法，可以将偏微分方程离散化，从而求解得到高温区域和低温区域的温度分布。
通过对温度分布的分析，可以确定最优的冷却速度和冷却介质，以达到最佳的淬火效果。
其次，相变模拟是淬火过程中另一个重要的方面。
金属材料在淬火过程中会出现固相变化，如奥氏体转变为马氏体。
相变模拟可以通过求解相变方程来描述相变过程的发生和演化。
相变方程通常由几个主要的参数来描述，例如相变时间、转变的温度和转变的百分比等。
通过对相变过程的模拟，可以获得材料的相变行为、相变时的组织结构和晶体取向的变化等信息。
数值模拟技术在淬火过程中的应用具有多重优势。
首先，数值模拟可以减少实验研究的成本和时间。
传统的实验方法需要耗费大量的时间和资源来获得淬火过程的详细信息，而数值模拟可以在计算机上进行，并可以通过修改参数来快速探索多种淬火条件下的效果。
其次，数值模拟可以提供更全面和细致的信息。
实验方法通常只能提供有限的测量数据，而数值模拟可以得到更详细的温度分布、相变行为和组织结构等信息，从而更好地研究淬火过程中的机理和调整淬火参数。
45钢激光淬火的模拟研究的开题报告
45钢激光淬火的模拟研究的开题报告
一、研究背景和意义
钢材是一种普遍应用的金属材料，广泛应用于机械制造、汽车制造、船舶工业、建筑工程等领域。
其性能能否满足使用要求，决定了产品的
品质和寿命。
激光淬火技术是一种近年来应用广泛的表面淬火技术，具
有淬火效果好、生产效率高、变形小、成本低、环保等优点。
因此，通
过研究激光淬火技术，对提高钢材的性能和质量，具有重要的意义。
二、研究内容和方法
本文以45钢为研究对象，通过建立数学模型，采用有限元分析软件ANSYS对激光淬火过程进行模拟分析，研究不同激光功率、扫描速度、
淬火介质等参数对淬火效果的影响。
在模拟分析的基础上，通过试验数
据的对比，验证数学模型的准确性，并提出优化淬火参数的建议。
三、研究计划安排
（1）前期调研：查找相关文献，了解激光淬火技术的基本原理和
研究现状。
（2）建立数学模型：通过理论分析和实验数据，建立45钢激光淬火数学模型，并采用ANSYS有限元分析软件进行模拟分析。
（3）试验验证：通过试验数据的对比，验证数学模型的准确性，
并提出优化淬火参数的建议。
（4）结果分析和总结：整理分析数据，得出结论和建议，撰写毕
业论文。
四、预期成果和意义
本研究将为深入了解钢材激光淬火技术、提高钢材的性能和质量提
供重要的参考依据。
研究成果将为理论和实际应用提供重要的指导，具
有广泛的应用前景。
ANSYS在激光焊接温度场数值模拟中的应用
【２ 中国航空材料手册》编辑委 员会． ｌ】《 中国航空材料手册 （ 卷： 第３ 铝
合 金 镁 合 金 ） ． 京 ：中 国 标准 出版 社 。２０ ． ４ ９ ． 【 北 Ｍ】 ０ ２ ８ — ２
【０ ａ ｈＭｏ ｎｒ ｕ ｔｒ ｅｂｈ Ｂ ｏａ ｔ ｅｔ ｏ ｓ ｎ ｅ ｆ ｅｃ ２］Ｒ ｌ ｂ ｅ。Ｇ ｎｅ ｒｔ． ｕｙ ｌｆ ｗ ｄ ｒｎ ｕｎ ｅｏ ｐ Ｇ ｎ ｍ ｌ ｕ ｉｌ ｆ ｓ ａｙａ ｄｒｔｔ ｇｍ ｇ ｅｉ ｆ ｌｓ ］ ｒｓ． ｒｗｈ ９ ９ １７） ｔ ｄ ｎ ｏ ｉ ａｎｔ ｅ ［．Ｃ ｙｔ Ｇ ｔ ，１９ ，（９ ： ｅ ａｎ ｃｉｄ Ｊ ｏ
析 解 ．而 实 际 的 焊 接 问题 多种 多 样 ，边 界 条 件十 分 复 杂 。用解
析方 法 来 求 解 这 类 微 分方 程 是 十 分 困 难 的 。 在高 速 电子 计 算 机 发展 的今 天 ．大 多 采 用 数 值模 拟 的 方 法［ ３ ｔ 。 数 值 模 拟 的 方 法有 很 多种 。如 差 分 法 、有 限元 法 、数 值 积 分 法 、蒙 特 卡 罗 法 等 。特 别 是 有 限 元 法 。现 已广 泛 应 用 于 焊 接 热 传 导 、焊接 热 弹 塑 性 应 力 和 应 变 分析 的研 究 。
缝 中气 孔 的抑 制 ． 空 工 艺 技 术 ，１９ 。４ （ ） ６ ２ ． 航 ９ ９ ２ ３ ：２ － ８ －
ｎ ｔ ａｙｄｉｅ ｏ ｎｓｂｍｏ ｔｒ ｇｏ ｔ ｌ ｉｅ ｄｓ ｂ ［ ． ｅｉｌ ｒ ｎｆ ｗ ｉ ｕ－ ｌ ｓｉｉ ｓｅ ｌ ｔ ａ ｌ ｓ １ ｅｌ ｖ ｌ ｄ ｒｎ ｆ ｅ ｂ ｌ ｓｎ ａ Ｊ
激光焊接ansys小例子
nsel,s,loc,x,x_center-0.002,x_center+0.002
nsel,r,loc,y,y_center,y_center+0.002
nsel,r,loc,z,0
sf,all,hflux,%laser% !在选择的节点上面施加定义好的热流密度函数
allsel,all
nsel,r,loc,z,-0.01,0
ine,all,3 !对激光光斑作用的区域进行网格细化
save
x_center=x0+rb !设置光斑的初始位置
y_center=y0
然后通过gui方式调用函数编辑器定义要加载的热流密度函数,函数的形式为
QC*exp(-2*(({X}-x_center)^2+({Y}-y_center)^2)/(rb^2)),保存后退出,利用函数加载器
nsubst,5
solve
*enddo
不好选择,所以采用圆形区域的外接正方形区域来近似.
再输入第二部分命令流
/sol
antype,4,new !定义分析类型
trnopt,full
toffst,0 !设置采用的温度单位为K
tunif,300 !设置初始温度为300K
!---------------------------
*set,tim,0
QC=Q/(PI* rb*rb)
et,1,solid70 ! 定义单元类型
mp,dens,1,7833 !定义密度
mp,c,1,465 !定义比热
mp,kxx,1,54 !定义热传导系数
block,0,0.052,0,0.025,-0.025,0 !建长方体模型
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基于ANSYS激光表面淬火的数值模拟
指导老师：曹坚（教授）
组员：王建来（组长）林谦凯冯辉沈海华
一、摘要
建立了轴的3-D模型进行激光淬火时的温度场数值模型，采用ANSYS模拟激光束扫描过程中轴面的温度分布。
通过对使用不同激光功率和光斑直径的结果分析，定性地得出了激光表面淬火的工艺参数。
二、关键词
ANSYS，温度场，激光，淬火
三、SUMMARY
Build a 3-D numerical temperature fields model for axle when it was laser hardened.Simutate the temperature distribution at the surface of axle during the laser-bean scanning by using ANSYS software.The results by using different laser power and spot diameter were analysed,which shows the technological parameter of laser quenching on the surface qualitativly.
四、KEYWORD
ANSYS，temperature field，laser，quenching
五、前言
激光表面淬火是利用激光在要热处理的部分扫描，使被扫描区域快速升温，而未被扫描区域保持常温。
激光表面淬火的原理和普通热处理是相同的，只不过激光作为热源加热金属的时间很短，处理区域也很小。
激光对金属进行热处理时，金属表面温度和热穿透深度都和激光照射时间的平方成比例。
所以适当地调节激光光斑尺寸、扫描速度和激光功率，就可以对金属表面温度和热穿透深度进行控制。
本文采用ANSYS软件对45#钢零件在激光扫描过程中的瞬时表面温度场进行模拟，并根据各模拟情况，推测出激光淬火比较适合的扫描速度、光斑尺寸和激光功率。
六、ANSYS数值模拟
ANSYS热分析主要用于计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数，如热梯度、热流密度等。
ANSYS热分析包括热传导、对流及辐射等多种热传递方式。
激光表面淬火属热瞬态分析，应建立SOLID70三维六面体单元进行有限元分析。
SOLID70——三维热实体，具有8个节点，每个节点有一个温度自由度。
该单元可用于三维的稳态或瞬态热分析。
本次模拟实验采用GUI界面来操作。
(一)建立有限元模型
①确定单元类型
GUI：MainMenu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete
点击Add按钮，在接下来的窗口中选择Thermal solid右边选Brick 8no70（如图）。
②定义材料属性
GUI ：Main Menu >Preprocessor >Material Props >Material Models
在出现的窗口如下图依次选择Isotropic 、Density 、Specific Heat 、Convection or Film Coef 。
在出现的新窗口中依次定义热导率、比热容、密度以及对流热系数。
以45钢为例：密度：7.85g/cm 3
45号钢的比热容、热导率与温度的关系
T ()C ︒
20
100 200 300 400 500 ()C kg J C P ︒./ 472
480
498
524
560
615
()C m W ︒./λ
47.7 43.5 40.4 38.1 36.0 34.16
45号钢的对流换热系数c h 与温度T 关系
C
T ︒/
50
100 200 300 350 400 ])(/[1
2
-︒∙∙C m W h c
2000 3800 6000 13500 14000 12500 C
T ︒/
500
600 700 800 850 ])
(/[1
2
-︒∙∙C m W h c
7000
4200
1500
500
300
③创建几何模型
本次模拟实验以轴为例。
是从PROE 中导入的。
GUI ：FILE>IMPORT>IGES 划分网格：
GUI ：Main menu >Preprocessor>Meshing>MeshTool 如图设置
T ()C ︒
600 700 755 800 900 1000 ()C kg J C P ︒./ 700
854
1064
806
637
602
()C m W ︒./λ
31.98 28.66 25.14 26.49 25.92 24.02
(二)施加载荷
①定义热分析类型
GUI ：Main menu>Solution>Analysis Type>New Analysis 操作后在出现的New Analysis 对话框中Transient 选项。
②施加载荷
1、在面上加载温度载荷
GUI:Main menu>Solution>Define Loads>Apply>Thermal>Temperature>Unirorm Temp 在文本框中输入环境温度，假设环境温度为20℃。
2、在面上施加热流密度
GUI ：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Thermal>Heat Flux
操作后会出现的对话框，选中模型上的一面确定后在随后出现的对话框中输入热流密度。
热流密度
热流密度其数值是指材料表面吸收的功率密度F ，
a
p
F ⨯=
η
其中，η为吸收率，假设40% p 为激光功率 a 为光斑直径
故适当改变功率密度就可以模拟实验出不同光斑直径，不同激光功率的实验。
3、确定时间
GUI ：Main Menu-Solution-Load Step-Time/Frequenc-Time-Time Step/Time and Substps 输入时间和时间步长，本次实验统一步长1S ，时间为4S ，5S ，6S 三组实验。
③求解
GUI ：Main menu-Solution-Solve-Current Ls 确定后开始求解。
（三）模拟结果
GUI ：Main menu-General Postproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal Solu 在此操作后会得出模拟结果的温度场彩云图。
图为5S 时45钢的温度场彩云图。
激光功率(W) 光斑直径(mm) 热流密度 800 6 11317684 1000 4 31830988 1000 6 14147106 1000 8 7987747
1200 6 16976527
三、结论。