(完整版)基于ANSYS的重轨淬火温度场和应力场仿真分析毕业设计论文

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50kgm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，ANSYS

Simulation of quenching temperature field and stress field

for the ANSYS

Abstract

The specification of 50kgm— as investigated subject in this paper．In this model．the equivalent thermal capacity method was used to deal with the influence of latent 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 sorbite can be gained．During the process of calculating in numerical simulation，inputted

the convective in such different operating modes．Get the best , 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 (6)

第二章重轨淬火温度场和应力场的理论基础 (6)

2.1重轨淬火温度场理论基础 (6)

2.1.1热传递方式 (6)

2.1.2重轨淬火时定解条件 (7)

2.1.3淬火时热传导初始条件 (8)

2.1.4重轨淬火的边界条件 (8)

2.2重轨淬火应力场理论基础 (10)

2.2.1热弹性和热塑性问题 (10)

2.2.2热弹塑性问题的求解 (11)

2.3组织场求解理论基础 (13)

第三章重轨温度场和应力场ANSYS仿真过程 (13)

3.1用ANSYS模拟分析重轨温度场和应力场的方法 (13)

3.2用ANSYS模拟分析重轨温度场和应力场的步骤 (13)

3.2.1建立重轨的三维模型 (13)

3.2.2确定重轨的各项材料参数及初始条件 (15)

3.2.3ANSYS仿真重轨温度场和应力场的基本步骤 (15)

第四章重轨淬火过程的温度场和应力场分析 (26)

4.1研究不同压强下温度场和应力场的前提条件 (26)

4.2不同压强下喷风温度场对比分析 (28)

4.3不同压强下喷风应力场对比分析 (31)

第五章全文总结 (34)

5.1论文研究结论 (34)

5.2论文研究的不足及展望 (34)

致谢 (35)

参考文献 (35)

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。

近几年随着计算机技术、有限元技术、人工智能技术的发展, 使各国学者可根据淬火过程数学模型,利用有限元技术计算各场量, 再利用计算机图形学理论动态显示零件淬火过程中温度、组织、应力应变、残余应力及零件变形随时间变化的情况. 根据数值模拟的结果, 找出适合工艺要求的工艺参数, 并为实际生产过程提供参考或指导实际生产.

我国是一个以铁路运输为主的国家。随着我国经济的发展、铁路运力的提高和火车速度的提高，对重轨性能的要求也在提高。无论是欧洲的传统型铁路，还是城市型铁路都要求重轨具有更高的硬度。由于硬度的普遍提高，重轨的脆性、韧性以及净度等问题又重新突出了，重轨在冷却不均匀的情况下，重轨内部的温度场变化情况不仅直接影响相变，而且对内应力也产生很大的影响。这些淬火过程出现的问题，可能会导致重轨轨头出现掉块、裂纹等现象，从而影响列车的正常运行、降低铁路的使用效率，甚至对列车的安全运行造成隐患。

重轨淬火是提高其韧性和耐磨性的主要途径之一。实践证明，在重轨轨头使用淬火热处理的重轨不仅提高了重轨的强度和使用寿命，而且大大提高了安全使用性能。因此研究重轨内部的温度场和应力场对实际生产有