Deform-3d热处理模拟操作

Deform-3d热处理模拟操作

热处理工艺在机械制造中占有十分重要的地位。随着机械制造现代化和热处理质量管理现代化的发展，对热处理工艺提出了更高的要求。热处理工艺过程由于受到加热方式、冷却方式、加热温度、冷却温度、加热时间、冷却时间等影响，金属内部的组织也会发生不同的变化，因此是个十分复杂的过程，同时工艺参数的差异，也会造成热处理加工对象硬度过高过低、硬度不均匀等现象。Deform-3d 软件提供一种热处理模拟模块，可以帮助热处理工艺员，通过有限元数值模拟来获得正确的热处理参数，从而来指导热处理生产实际。减少批量报废的质量事故发生。

热处理模拟，涉及到热应力变形、热扩散和相变等方面，因此计算很复杂，软件采用牛顿迭代法，即牛顿-拉夫逊法进行求解。它是牛顿在17世纪提出的一种在实数域和复数域上近似求解方程的方法。多数方程不存在求根公式，因此求精确根非常困难，甚至不可能，从而寻找方程的近似根就显得特别重要。方法使用函数f(x)的泰勒级数的前面几项来寻找方程f(x) = 0的根。牛顿迭代法是求方程根的重要方法之一，其最大优点是在方程f(x) = 0的单根附近具有平方收敛，而且该法还可以用来求方程的重根、复根等。

但由于目前Deform-3d软件的材料库只带有45钢、15NiCr13和GCr15等三种材料模型，而且受到相变模型的局限，因此只能做淬火和渗碳淬火分析，更多分析需要进行二次开发。

本例以45钢热处理淬火工艺的模拟过程为例，通过应用Deform-3d 热处理模块，让读者基本了解热处理工艺过程有限元模拟的基本方法与步骤。

1 、问题设置

点击“文档”（File）或“新问题”（New problem），创建新问题。在弹出的图框中，选择“热处理导向”(heat treatment wizard)，见图1。

图1 设置新问题

2、初始化设置

完成问题设置后，进入前处理设置界面。首先修改公英制，将默认的英制

（English）修改成公制（SI），同时选中“形变”（Deformation）、“扩散”(Diffusion)和“相变”(Phase transformation)，见图2。

图2 初始化设置

3、输入几何体

在工件几何体输入对话框内，选择从数据库或关键文件夹（Import from a geometry,. Key or DB file）中输入，见图3。输入的文件必须是STL格式的，见图4。

图3 输入几何体

图4 选择几何体文件

4、网格划分

工件输入后，可以进行网格划分。这里取网格数8000；表面网格结构(Structured surface mesh)中，层的数量取1；层厚度(Layer thickness)为0.005；厚度模式(Thickness mode)取与外形尺寸成比例（Ratio to overall dimension），见图5。

*其实层厚度是默认好的，点击图标，就会显示默认的数据，然后点击“OK”，完成设置，见图6。网格生成后的工件三维图形见图7。

图5 网格划分

图6 层厚度设置

图7 网格生成后的工件三维图形

5、材料设置

1）选择从数据库或关键文件夹（Import from .DB or .KEY files）中输入，见图8。由于数据库和关键文件夹尚未建立，因此在选择从数据库或关键文件夹选项后，不要直接点下一步，而是点击高级（Advanced）,这时会弹出材料设置对话框，见图9。

图8 材料输入

图9 材料设置

2）在材料设置对话框中点击从材料库中加载（Load from lib.）。并在弹出的对话框中选择“Steel”,“AISI-1045_Heat Treatment”,类似国产45钢，并加载，见图10。加载后，材料列表中会显示材料型号以及相变名称，这里显示的是45号钢以及奥氏体、珠光体和马氏体，见图11。

图10 选择钢号

图11 加载后的材料列表

3）输出材料保存到关键文件夹。点击输出（Export），在关键文件夹中选择材料并保存，见图12。

图12 保存到关键文件夹

4）打开保存到关键文档中的材料并加载，完成材料的设置，见图13。

图13 完成材料设置

(to be continued)

6、工件初始化设置

在工件初始化对话框中，将温度(Temperature)、原子(Atom)、相体积分数(Phase volume fraction) 均选择为均匀（Uniform）。并将温度设置为“20”；原子为“0.44”；将马氏体(Martensite)的体积分数设置为“1”，见图14。

*原子百分比设置这里指含碳量。可以从材料性能表中的描述（Description）一栏中查到，见图10。

图14 初始化设置

7、介质的详细设置

介质设置的界面见图15，这里的介质主要有加热炉和水。

图15 介质设置界面

1）加热炉设置：

点击“加号”，在弹入的框中用英语填写“Heating Furnace”，然后点击“OK”完成设置，见图16。

图16 加热炉设置

2）加热炉参数设置：

点击“减号”，去掉“Media 1”，将热传递系数（Heat transfer coefficient）改成0.1，选中辐射“Radiation”见图17。

图17 加热炉参数设置

3）添加介质水：

点击“加号”，在弹出的图框中填写“water”,将默认的热传递系数修改为“7”，取消选择辐射，见图18。

图18 介质水的设置

4）添加区域1（Zone1）

在区域设置栏中，点击“添加”，会自动生成“Zone1”，见图19。

图19 添加区域1

5）写入对流系数

在常数（Constant）项的下拉菜单中，选择与温度关联“f(temp.)”，见图20。写入对流系数(Convection coefficient)，具体见图21。

图20 选择f(Temp)