重轨淬火过程温度场数值模拟分析

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淬火过程中工件内温度场的数值解及其MATLAB仿真

淬火过程中工件内温度场的数值解及其MATLAB仿真
关键词 :淬火 ;工件 ;温度场 ;数值解 ;仿真 中图分类号 :O029 文献标示码 :A 文章编号 :1671 - 0231 (2006) 01 - 0020 - 05
淬火过程中钢件内的瞬时温度场处于不断地变化过程中 。影响温度变化的因素很多 ,如工件的物理 性能 、形状尺寸 、冷却介质的理化特性和冷却方式等 。而工件冷却后的最终结果和冷却所经历的过程 ,决 定了工件淬火后的组织 、残余应力的分布 、机械性能以及淬火变形和裂纹 。作者以实例讨论淬火冷却过程 中工件内瞬变温度场的数值解 ,并实现了基于 MATLAB 的计算机仿真 。对淬火过程瞬时温度场的数学描 述和精确计算以及计算机仿真对控制淬火工艺具有重要的意义 。
2. 1 导热微分方程有限差分近似表达式 设工件内节点 (ξ,τ) 中的温度 T (ξ,τ) 的偏导数用向前有限差分近似法表示为 :
5T 5ζ
ζ,τ≈δ1ζ[
T (ζ+δζ,τ)
-
T (ζ,τ) ]
5T 5τ
ζ,τ≈δ1τ[
T (ζ,τ+δτ)
-
T (ζ,τ) ]
工件内点 (ξ,τ) 上温度 T (ξ,τ) 的二阶偏导数用中心有限差分近似法表示为 :
(
T1t
+
T2t +
T3t +
T4t )
+
(1 -
4
α.Δt (Δs) 2
)
Ttn
+
α.Δt (Δs) 2
·
·kb·
(4) (5) (6)
(7) (8) (9) (10) (11) (12) 21

:α(Δ.Δs) t2
=
1 M
,则式 (12)

热处理过程中淬火冷却速率优化的数值模拟分析及实验验证

热处理过程中淬火冷却速率优化的数值模拟分析及实验验证

热处理过程中淬火冷却速率优化的数值模拟分析及实验验证引言:热处理作为一项重要的金属加工工艺,在提高材料的硬度、强度、耐磨性等性能方面起着至关重要的作用。

而淬火是热处理过程中的关键步骤,其冷却速率直接影响着材料的组织和性能。

本文旨在通过数值模拟分析与实验验证的方法,对热处理过程中淬火冷却速率进行优化。

一、热处理过程中的淬火冷却速率淬火是指将加热到合适温度的金属材料迅速冷却至室温,以达到改善材料的性能的目的。

淬火冷却速率是指材料从高温到低温之间温度下降的速度。

过慢的冷却速率会导致材料组织不均匀,影响其性能;过快的冷却速率则容易产生裂纹和变形。

因此,优化淬火冷却速率对于提高材料的性能至关重要。

二、数值模拟分析1. 热传导方程的建立数值模拟分析是一种有效的工具,可以用来模拟和优化淬火过程中的温度分布和冷却速率。

在进行数值模拟之前,需要建立适当的热传导方程。

热传导方程可以描述材料内部的温度变化和热传导过程。

假设材料为均质材料,且热传导仅在一维情况下发生,热传导方程可以表示为:∂T/∂t = (α/ρC)∂²T/∂x²其中,T为温度,t为时间,x为材料的坐标,α为热扩散系数,ρ为材料的密度,C为材料的比热容。

2. 数值方法的选取针对热传导方程,选择适当的数值方法进行求解。

常用的数值方法包括有限差分法、有限元法等。

在进行数值模拟分析时,需合理选择网格密度、时间步长和边界条件等参数,以使模拟结果更加准确。

3. 模拟实例的执行与结果分析选取具体的材料和热处理工艺参数,进行数值模拟实例的执行。

通过改变淬火冷却速率,观察材料的温度变化和组织结构的演变。

针对不同的淬火冷却速率,分析材料的性能差异。

通过数值模拟分析,可以为实验验证提供参考依据。

三、实验验证1. 实验设计在热处理实验中,选取合适的试样和热处理设备,按照已确定的热处理工艺参数进行试验。

在试验过程中,需准确记录温度变化、时间和淬火冷却速率等数据。

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

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。

基于ANSYS的重轨淬火温度场和应力场仿真分析毕业论文设计

基于ANSYS的重轨淬火温度场和应力场仿真分析毕业论文设计

本科毕业论文(设计)论文题目:基于ANSYS的重轨淬火温度场和应力场仿真分析基于ANSYS的重轨淬火温度场和应力场仿真分析摘要本文以规格为50kg/m的重轨为研究对象,通过综合考虑材料热物性参数随温度的非线性变化、热传导及高压气体冷却等动态边界条件,运用ANSYS软件,采用有限单元法,建立了淬火重轨的瞬态温度场和应力场的三维模型。

通过ANSYA软件仿真淬火重轨各个时间段的温度场。

根据重轨温度场的变化规律,选择合理的喷风压强,最终得到理想的索氏体组织。

在数值模拟计算的过程中,输入在不同的喷风压力下的对流换热系数,得到相应的温度场和应力场结果,并对结果进行了分析。

计算了强制冷却、空气自然对流等淬火过程的温度场和应力场分布情况,分析淬火时间对温度场和应力场的影响。

得到最佳的喷风冷却时压强,从而为实际生产制定合理的重轨淬火工艺提供了依据。

关键词:重轨,淬火,温度场,应力场,ANSYS2Simulation of quenching temperature field and stress field forheavy rail based on the ANSYSAbstractThe specification of 50kg/m—heavy rail was taken as investigated subject in this paper.In this model.the equivalent thermal capacity method was used to deal with the influence of latent heat on temperature filed and the transformation stress which resulted from phase transformation was taken into account using the equivalent linear expansion coefficient method.The impact of material’s non-1inear parameter on temperature field was considered.The results show that the simulation result is identical with the measuring temperature.According to the distribution of temperature field,the time of compressed air should be controlled.The ideal sorbitecan be gained.During the process of calculating in numerical simulation,inputted the convective heat transfer coefficient under different wind pressure received the corresponding result of temperature field and stress filed,and analyzed the result.This paper analyzed that calculated heating,keeping warm,force cooling and air coo ling’s temperature field and stress filed distribution in such different operating modes.Get the best heating, thermal insulation, cooling, natural air time and the result can be used to guide the quenching process design.Key words:Heavy rail,Quenching,Temperature field,Stress filed,ANSYS目录第一章绪论 (1)1.1课题研究意义 (1)1.2影响重轨淬火技术的主要因素 (2)1.3重轨淬火数值模拟的国内外研究现状 (3)1.4研究内容 (4)第二章重轨淬火温度场和应力场的理论基础 (5)2 42.1重轨淬火温度场理论基础 (5)2.1.1热传递方式 (5)2.1.2重轨淬火时定解条件 (5)2.1.3淬火时热传导初始条件 (6)2.1.4重轨淬火的边界条件 (7)2.2重轨淬火应力场理论基础 (8)2.2.1热弹性和热塑性问题 (8)2.2.2热弹塑性问题的求解 (9)2.3组织场求解理论基础 (10)第三章重轨温度场和应力场ANSYS仿真过程 (10)3.1用ANSYS模拟分析重轨温度场和应力场的方法 (10)3.2用ANSYS模拟分析重轨温度场和应力场的步骤 (11)3.2.1建立重轨的三维模型 (11)3.2.2确定重轨的各项材料参数及初始条件 (12)3.2.3ANSYS仿真重轨温度场和应力场的基本步骤 (12)第四章重轨淬火过程的温度场和应力场分析 (21)4.1研究不同压强下温度场和应力场的前提条件 (21)4.2不同压强下喷风温度场对比分析 (22)4.3不同压强下喷风应力场对比分析 (25)第五章全文总结 (28)5.1论文研究结论 (28)5.2论文研究的不足及展望 (29)致谢 (30)参考文献 (31)2 6第一章绪论1.1课题研究意义淬火是机械零件生产加工过程中的关键环节之一, 它涉及到传热学、金属相变动力学、化学、力学等多种学科. 淬火过程是一个温度、应力、相变相互影响的高度非线性问题, 在理论上对温度场、组织场、应力场耦合求解几乎是不可能的。

重轨淬火温度场数值模拟软件开发

重轨淬火温度场数值模拟软件开发

理 工上旬千 U* 机 械 与 材 料 工 程
2 0 1 4年 1月
r +r 2 +1 " 3一 P ( F为 域 的所有 边界 )
方程 ( 1 )称 为热 平衡 方程 。式 中 的最左 边 一项 称 为极 小 体温 升 所 要求 的热 能 ;第 2 ,3 ,4项 即 由 z, Y和 z方 向传 人极 小体 的热 量 ;左边 最靠 近等 号 的一项 即极 小体 的 内热 源所释 放 的热 能 。微分 方 程 表 明 :极 小体 的 内热 源所释 放 的热 能和传 导入 极 小体 的热 能两者 等 于极小 体 温升热 能 。
要 求 ,甚 至造 成 过大 的变 形或 开裂 而导 致 报废 。实 际生 产表 明 ,因淬 火 而导致 产 生质量 问题 的T 件 在热 处理 工 艺 中是最 多 的 ,也 就是 说 ,在热 处 理1 二 艺 中淬火 是工 件性 能最 不 容易控 制 的部分 。为 了确 定 工件 淬火 后 的组织 转 变及 残余 应力 ,必须 掌握 淬火 过程 中 的工件 内部 温度 随 时间 变化 的分 布规 律 。因此 ,淬 火工 件 的温度 场分 布是 热 处理 工艺 优化 、工件机 械 性能 提高 的重 要依 据 。为 了让没 掌握 有 限元基 本理 论 的技 术人 员容 易地 应用 有 限元 软件 [ 副来制 定 重轨 淬火 工艺 ,笔 者编 制一 个专 用 的重 轨淬 火有 限元 分析 的
淬火工 艺。
[ 关 键 词 ] 重 轨 淬 火 ;有 限元 法 ;温 度 场 ;数 值 模 拟 [ 中 图分 类 号 ]TGI 5 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 6 7 3—1 4 0 9( 2 0 1 4 )0 1 —0 0 5 9— 0 5
热处 理是 通过 适 当 的加 热 和冷 却来 实现 材料 组织 结 构 和性 能 的转 变 。热处 理 在 提 高金 属 材 料 性 能 、

热处理过程中温度场的数值模拟及分析

热处理过程中温度场的数值模拟及分析

热处理过程中温度场的数值模拟及分析热处理是一种常用的金属加工工艺,通过控制金属材料的加热与冷却过程,可以改变金属材料的组织结构和性能。

温度场是热处理过程中重要的参数之一,直接影响着金属材料的组织和性能的形成与变化。

因此,准确地模拟和分析热处理过程中的温度场对于优化工艺、改善产品质量具有重要意义。

数值模拟是研究温度场的有效方法之一。

它基于数学模型和计算方法,通过计算机的数值计算来获得温度场的分布情况。

在热处理过程中,温度场的分布受到多个因素的影响,如加热功率、材料热导率、热辐射、对流散热等。

数值模拟通过建立数学模型,考虑这些因素,并进行相应的计算,可以得到较为准确的温度场分布。

首先,进行数值模拟需要选择适当的数学模型。

在热处理过程中,常用的模型有热传导方程、能量方程等。

热传导方程是研究物体内部温度分布的基本方程,它考虑了热传导过程中的温度梯度对热流的影响。

能量方程则是考虑了热源与物体之间的热交换过程,可以更全面地描述温度场的变化。

其次,进行数值模拟需要确定边界条件。

边界条件是指在模拟过程中与外界接触的部分,它对于温度场的分布起着重要的影响。

常见的边界条件有热流、热辐射和对流散热等。

热流边界条件是指物体表面受到的外部热量输入或输出,热辐射边界条件是指物体表面受到的辐射热量,而对流散热边界条件则是指物体与周围介质间的热交换。

然后,进行数值模拟需要进行网格剖分。

网格剖分是将模拟区域分成小的单元,用于离散方程和计算。

在温度场的数值模拟中,常用的网格剖分方法有结构化网格和非结构化网格。

结构化网格是指将模拟区域划分为规则的矩形或立方体单元,易于计算和分析。

非结构化网格则是将模拟区域划分为任意形状的单元,适用于复杂几何形状和不均匀材料性质的模拟。

最后,进行数值模拟需要选择合适的求解方法。

在热处理过程中,常用的求解方法有有限差分法、有限元法和边界元法等。

有限差分法是基于差分逼近的一种方法,将参与方程离散化成代数方程,并通过迭代计算得到数值解。

重轨淬火过程中的温度场模拟

重轨淬火过程中的温度场模拟

时阿】/s 图4时间一温度曲线
Fig.4 The curves of time.temperature
表2理论计算与实测温度的比较
Tab.2 Comparison of calculating temperature and measuring temperature
位置 节点 计算温度/℃ 实测温度/℃
由于实验中控温效果很好,并采用将热电偶 焊接到重轨试样上的方式测温,因此认为实测温 度比较准确。时间10 S,测温点位置共包括5个 点,即如网3(a)所示1、2、3、4、5节点。测温热电偶 对5个节点进行测量,实测结果与仿真结果的比 较见表2。可看出,轨头中心的温度最高,重轨表 面及外缘处的温度较低.这是因为这些面与冷空 气直接接触。还可以以破坏重轨为条件,将重轨
实践证明.重轨的理想金相组织是索氏体.因 为它不仅有较高的硬度和耐磨性。而且还有较好 的力学性能。重轨冷却到610℃左右也是保证热
4 结束语
模拟计算能较准确地模拟重轨淬火过程中的 温度变化趋势,而且模拟计算得到的温度与实测 温度接近。模拟计算值和实测值吻合得很好,表明 模型的有效性。模型能够对重轨淬火过程的温度 场进行较准确的模拟计算。通过不断调整淬火热 处理参数和优化仿真模型,最终获得最佳工艺参 数。因此温度场的模拟是一种科学、经济、高效的 手段。可以为钢厂创造更大的价值,并对重轨淬火 丁艺和重轨生产T艺的制定都具有重要的价值和 指导意义。
[4】 张国智,胡f_喜,陈继刚,等.ANSYSl0.0热力学有限元 分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2007.
12—13.田
《热加工工艺》2008年第37卷第22期
79
万方数据
重轨淬火过程中的温度场模拟
作者:
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理模 型 为基础 , 立数 学模 型 , 过 各种求 解 方法来 建 通 求解 各个 场 变量 的一种 科学 研究 方 法 .从 淬火 等 热
处理 过 程 计 算 机 数 值 模 拟 的 研 究 情 况 和 相 关 文
献 J 1 可知 : 钢轨 淬火 数 值模 拟 的核 心 是 研 究 淬 火 时
21 年 l 01 2月
内 蒙 古 科 技 大 学 学 报
J u n lo n e n oi ie st fS in e a d T c n l g o r a fI n rMo g l Unv ri o ce c n e h oo y a y
De e e 2 c mb r,01 1 V0 .0. . 13 No4
关键词 : 淬火 ; 度场 ; 温 数值模拟
中 图分 类号 :G 6. 2 T 12 8 文 献 标 识 码 : A

要 : 传热学基础上 , 在 考虑 了材 料性 能参 数随温度变化 , 以及相变 潜热对 淬冷的影 响 , 用 A A U 运 B Q S有 限元软
件, U5 对 7 V钢轨轨头喷水淬火过程温度场进行 了有 限元模拟 , 并用 红外线热成像 仪进行 了现场 测试, 得到 了钢轨 温度随淬火时间的分布关 系、 进入相变的时间和温度 .模 拟结果 与实测值 接近 , 并为 精确计算淬 火过 程中 的热 应
p a t e p o i i g t e r t a ee e c sf rt e a c r t a c l t n o e i u t s n e dn e e t n r c i , r vd n h o eil rf r n e o c u ae c u ai fr s a s e sa d b n i g d f ci . c c h l o dl r l o
tm p r t e,h fe to aen e to e c n a t.,h e e rt r e d d rn h ue c i g po e swa sm u ae u ig e e aur t e e c flt th a n qu n hig, nd ec t e tmp au e f l u g te q n h n rc s s i l td sn i i
料淬 火过 程 的温度有 关 . 牛顿 冷却 方程 描述 为 :

分 析 中的应力 应 变 场取 决 于 温 度 场 , 温 度 场不 受 但 应力 应 变场 的影 响 .具 体 方 法 是 首 先 分 析 传 热 问
力、 残余应 力以及弯曲变 形规 律做 好了准备工作 .
S m u a i n o e p r t r ed o e v a ld rn u n h n i l to n t m e a u e f l f h a y r i u i g q e c i g i
Hale Waihona Puke 目前 , 值模 拟被 广泛 用于 温度 场 、 数 热应 变 和热
应力 等 钢 的淬火过 程研 究 .所谓 数值 模 拟就是 以物
1 钢 轨 淬 火 冷 却 过 程数 学 模 型
钢轨在淬 火时 , 热传递 的方式有对 流和辐射 . ] 对 于三维 形状 的钢 轨 , 其热 传导方 程 :
DUA Jn l n , I —a , N i—i g L U Yuy n CHE i a N Ln ( ae a adMeaug colIn r no aU i r t o c nea dT cnlg , at 10 0 C i ) M trl n tlr S ho, e gl nvs y f i c n ehoo B oo 0 4 1 ,hn i l y n Mo i e i S e y u a
Ke r y wo ds: e c i g;e qu n h n tmpe au e fed; i u ain rt r l sm lto i
A src: ae nteha t nf er, kn t acut a o s at ssc sma r nt nprm t hn gwt e b t tBsdo etr s rh o t igi o con vr u c r uh a a h a e t y a n i f o ti f c o aa ee ea ̄n i t ea u i l r hh
第3 0卷 4期
文 章 编 号 :05— 2 5 2 1 )4— 3 3—0 29 29(010 03 5
重 轨 淬 火过 程 温 度 场 数 值 模拟 分析
段 金 良, 宇雁 , 刘 陈 林
041 ) 10 0 ( 内蒙 古 科 技 大 学 材 料 与冶 金 学 院 , 蒙 古 包 头 内
A A U E o w r n aue ytei r e ema iaig ehiu . h i uao sli c s em aue a e n B Q SF M sf aeadmesrdb f rdt r l m gn cnqe T es l i r u oe o h e rdvl t h na h t m t n e ts l t t s ui
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批 以
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试件 与 淬火介 质 问 的换 热情 况 、 试件 中温 度场 、 应力
场 和组 织变化 问的藕合 关 系 .
本 文采 用 A A U B Q S顺 序耦 合 热应 力 分 析 , 此类
式 中 ,, 和 A分别 表示 材料 的密度 、 PC 比热 容 和传 导 系数 .对 于淬 火过 程 来 说 , 比热容 和 热传 导数 与 材
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