(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，ANSYSSimulation of quenching temperature field and stress fieldfor the ANSYSAbstractThe 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 timeof compressed air should be controlled．The ideal sorbite can be gained．During the process of calculating in numerical simulation，inputtedthe 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重要意义。

目前普遍采用比较成熟的有限元法【1】求解控制方程来模拟淬火过程的变化所使用的有限元软件有ANSYS、MARC、ADINA等，大多数的模拟结果都得到了实验测试数据的支持，取得了令人满意的效果。

尽管如此，淬火过程仍存在很多问题需要解决，原因之一就是淬火是一个工件温度场、应力场、组织场及淬火介质流场耦合的过程，但是关于这一耦合过程尚缺乏成熟的定量的统一理论【2】。

淬火处理的实质就是通过适度调整和控制淬火介质的流速、温度以调整和控制淬火试件的温度场、显微组织场和内应力(应变)场，使得试件获得所需要的组织、性能和较小的残余应力及残余形变。

生产实践表明，淬火过程是热处理过程【3】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，它涉及到试件的温度场、显微组织场和内应力(应变)场和介质的流场等，测量和理论分析难度都很大。

淬火过程是一个各种场相互耦合的复杂过程，要在理论上求解各场量的解析解是非常困难的，甚至是不可能的。

因此，淬火过程的深入研究对工程实际大有重要的指导意义，利用计算机进行数值模拟【4】有助于淬火工艺设计，便于选择合适的淬火工艺调整方案，可以大大减少试验量，具有一定的实用价值，已成为当今热处理领域的研究热点之一。

1.2影响重轨淬火技术的主要因素重轨的淬火过程是个相当复杂的过程，一般有风冷、雾冷、水冷三种方式【5】。

风冷具有温度和湿度常常是变化不定的特点；雾冷的特点是导热性能不稳定和热能挥发出现紊流现象；水冷的特点是水不易挥发，状态不稳定，可能导致热处理不够或过度，喷水时间稍长就容易引起淬火部位出现马氏体组织，但是水的导热性能比雾气好。

如果热处理不当，残余应力比较大，出现开裂现象，或者硬度不够。

而工人师傅完全凭经验判断，于是产品质量不高或次品率较大，重轨生产效率大大降低。

实践证明，采用压缩空气冷却可以克服上述缺点。

因为压缩空气冷却喷风器不像喷雾器那样会发生阻塞，冷却速度基本恒定，对重轨表面状态不敏感，可以保证淬火质量。

当工艺参数优选后，只要重轨含碳量大于0．7％，使用压缩空气可以使奥氏体实现向索氏体的转变，并且能够保证热处理后的材质内部结构均匀。

淬火轨硬度可至合适并均匀一致。

不会出现马氏体组织。

目前国外除独联体外，日、美、澳等国均采用风淬。

采用单一的介质风淬，工艺稳定，操作简便，确保了产品的优质性能。

但是，冷却后的硬度值普遍偏低，且由于冷却时间过长，无法保证较高的生产率。

对大断面的60Kgm，75Kgm淬火轨来说，仅仅采用风淬则无法达到对淬硬层深度的要求，而且有许多待改进之处，所以出现了“先喷风，后喷水"的工艺。

可是就是这种工艺也不是很完善的。

主要的问题仍然是淬火重轨的硬度偏低。

这是因为，一方面是对冷却介质的应用还存在着一定的片面性，另一方面是对冷却介质的应用在水平上还没有达到很深的层次上，甚至还停留在表面的层次上。

1.3重轨淬火数值模拟的国内外研究现状热处理的实质是使钢在固态范围内，通过加热、保温和快速冷却的方法，改变内部组织结构，从而改变其性能的一种工艺。

在热处理过程中，试件内部会发生十分复杂的物理现象，如瞬态温度场的变化、组织的转变、力学性能的改变以及残余应力的产生等。

这些物理现象也正是材料实现淬火硬化的主要依据。

20世纪70年代以来，由于计算机技术的迅速发展，热处理过程的数值模拟也随之成为一个举世关注的研究领域。

对于一些与热处理相关的学科，如数值计算方法、传热学、热应力理论、相变动力学、计算流体力学等在国内外都丌展了较为深入的研究，从而为热处理过程的计算机模拟和仿真技术的发展奠定了坚实的基础。

淬火过程的计算机模拟是热处理过程计算机模拟的重要组成部分。

它能对试件的温度场、显微组织场和内应力场进行耦合计算，给出每一瞬间的温度场面、显微组织场和内应力场，并能直接地观察到各场量在淬火过程中的变化情况，这样就可以在节省大量的人力、物力、财务和时问的情况下对试件进行全面的分析，预测试件淬火后的组织性能，从而可对淬火工艺方案进行优化，使工艺更加高效合理。

国外对淬火试件淬火数值模拟计算比较早，数值模拟研究始于70年代，。

20世纪70年代初，当组织转变数值模拟提到日程上来时，就有两种描述组织转变过程的方法，即TTT曲线法和CCT曲线法，为组织转变的数值模拟提供了两种途径。

CCT曲线法模拟的难题后，TTT曲线在淬火试件显微组织场模拟中迅速得到推广。

1978年瑞典学者计算了渗碳钢的淬火残余应力，在计算时使用了最初用于根据等温转变的孕育期预测连续冷却时转变温度的叠加法则，将连续冷却离散成每一小时间段的阶梯冷却，借助虚拟时间的概念成功地解决了如何利用”盯曲线预测连续冷却过程组织转变量的问题。