毕业设计（论文）- T8钢圆柱体水淬过程温度场模拟.doc

毕业论文T8钢圆柱体水淬过程温度场模拟学生姓名： 王宇博 学号： 125011140 机械设计制造及其自动化系 部： 机械工程系 专 业： 娄菊红指导教师： 二零一四年 六月诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目：T8钢圆柱体水淬过程温度场模拟系部： 机械工程系 专业：机械设计制造及其自动化 学号：125011140学生：王宇博 指导教师（含职称）：娄菊红（副教授）专业负责人：田静 1设计的主要任务及目标建立轴对称有限元模型，模拟计算T8钢热处理加热及水淬过程温度场分布，从而确定加热保温时间；分析热处理前后T8钢组织与力学性能的变化，为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。2设计的基本要求和内容1）设计的基本要求：论文结构完整，层次分明，语言顺畅；避免错别字和错误标点符号；论文格式符合太原工业学院学位论文格式的统一要求。2）设计内容： 模拟T8钢加热过程某些时刻的温度场分布及圆柱体上特殊点的温度随时间的变化关系；模拟T8钢水淬过程某些时刻的温度场分布及圆柱体上特殊点的温度随时间的变化关系；分析T8钢热处理前后组织及力学性能的变化。3主要参考文献1）ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用J.冶金能源，2004（05）2）钢件淬火过程温度场的数值模拟J.热加工工艺技术与材料研究，2008（11）3）ANSYS10.0热分析教程与实例解析4）45钢零件淬火过程温度场分布的数值模拟J.重庆大学学报，2003（03）4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1查阅文献，了解软件，完成开题报告2014.01.10至2014.03.102阅读文献，深入学习软件，确定研究方案2014.03.10至2014.03.313进行模拟计算，准备中期检查2014.04.01至2014.04.204完成模拟计算及结果分析2014.04.20至2014.05.155撰写毕业论文，准备答辩2014.05.15至2014.06.05T8钢圆柱体水淬过程温度场模拟摘要: T8模具钢属于抗冲击碳素工具钢、冷作模具钢、淬硬型塑料模具用钢，该钢无网状碳化物析出倾向，塑性、韧性优于T10A钢，适用于制作较大截面的模具。重载模具采用T8模具钢，进行预先调质球化处理，效果较好。该钢可加工性好，价格低廉，来源容易，但缺点是淬透性低，耐磨性差，淬火变形大。本文将采用ANSYS有限元分析对T8钢进行热处理过程模拟，热处理过程计算机模拟具有速度快、效率高、结果形象逼真、能综合全面反映热处理过程中各种变化规律的特点。与试验研究相结合，可以极大地拓展实测数据提供的信息，完成试验研究很难做到甚至不能做到的工作。国内的许多专家和学者运用MARC、ANSYS等软件对现实中热处理过程进行了模拟，而且取得了一系列令人满意的成果，并将模拟的结果指导于生产实践之中。关键词：T8钢，ANSYS有限元分析，温度场 T8 steel cylinder water quenching process temperature fieldsimulationAbstract: T8 tool steel belongs impact carbon tool steel, cold work tool steel, hardened plastic mold steel, the steel mesh carbide precipitation no tendency ductility, toughness than T10A steel, suitable for the production of a large cross-section of the mold . Overloaded mold using T8A mold steel, quenched and tempered ball pre-treatment, the better. The steel machinability good, inexpensive, easy to source, but the drawback is the low hardenability, wear resistance is poor, large deformation hardening.This article will use the ANSYS finite element analysis of T8 steel heat treatment process simulation, heat treatment process computer simulation has speed, high efficiency, the results of vivid, heat treatment process can be integrated fully reflect changes in the characteristics of various laws. Experimental studies with the combination of the measured data can greatly expand the information provided to complete the tests do not even difficult to do research work. Many experts and scholars in the domestic use of MARC, ANSYS software for reality to simulate the heat treatment process, but also made a series of satisfactory results, simulation results and guidance on the production practiceKeywords: T8 Steel，ANSYS finite element analysis，Temperature field目 录1 绪论11.1 T8钢的基本结构和淬火工艺基础21.1.1 T8钢的基本结构21.2 淬火工艺基础31.3 淬火后组织分析42 ANASYS10.0热分析52.1 ANASYS软件介绍52.2 热分析的目的52.3 热分析的基本理论52.3.1基本符号与单位52.3.2热传递的方式62.3.3热力学第一定律72.3.4热传导控制微分方程72.4 ANASYS稳态热分析82.4.1热载荷和边界条件的类型82.4.2稳态热分析基本步骤92.5 ANASYS瞬态分析112.5.1瞬态热分析特性112.5.2时间步长设置113 T8钢圆柱体有限元分析123.1问题描述123.2圆柱体加热及水淬温度场模拟求解步骤123.2.1定义分析文件名123.2.2定义单元类型123.2.3定义材料属性133.2.4建立几何模型133.2.5控制单元大小133.2.6划分单元143.2.7设定求解选项143.2.8求解184 结果与分析194.1 加热194.1.1加热过程零件的温度场分布194.1.2加热过程中圆柱体上特殊点随时间的温度变化214.2 水淬234.2.1水淬过程零件的温度场分布234.2.2水淬过程中圆柱体上特殊点随时间的温度变化25结论28参考文献28致谢3030太原工业学院毕业设计1 绪论钢是以铁、碳为主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11%。钢是经济建设中极为重要的金属材料。钢按化学成分分为碳素钢（简称碳钢）与合金钢两大类。碳钢是由生铁冶炼获得的合金，除铁、碳为其主要成分外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。碳钢具有一定的机械性能，又有良好的工艺性能，且价格低廉。因此，碳钢获得了广泛的应用。但随着现代工业与科学技术的迅速发展，碳钢的性能已不能完全满足需要，于是人们研制了各种合金钢。合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入某些元素（称为合金元素）而得到的多元合金。与碳钢比，合金钢的性能有显著的提高，故应用日益广泛。金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理、局部热处理和化学热处理等。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。退火将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却(冷却速度最慢)，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。淬火将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。T8钢的应用范围极为广泛：制作整体式M12螺栓冷镦模，淬火硬度57-59HRC,使用寿命可达6000件；用于制作冷镦货车车厢螺栓凹模，直径8.9mm90mm同心圆柱体，采用内孔喷水淬火，形成有利于提高疲劳抗力的表面硬化层，使用寿命可达2万次以上，而不喷水淬火的Cr12MoV钢使用寿命只有1000-2000次；用于制作柳钉模，淬火后硬度51-53HRC,模具使用寿命7000件，而淬火后硬度较大或较小，使用寿命均较低；用于制作冲头，经碳化物超细化处理后低温淬火，冲头使用寿命比普通淬火处理提高10倍； 用于制作料厚3mm的冲裁模的凸、凹模和镶块，制作凸模时硬度选用58-62HRC,制作凹模时选用硬度60-64HRC；用于制作一般弯曲模的凸、凹模，凸模时选用硬度58-62HRC,制作凹模时选用硬度60-64HRC；用于制作一般弯曲模的凸、凹模和镶块，作凸模时选用硬度56-60HRC;制作凹模时选用硬度56-60HRC；用于尺寸小、形状简单、轻载荷的冷作模具以及要求硬化层不深并保持高韧性的冷镦模等，如小冲头、剪板机和剪刀等；货车车厢螺栓冷镦凹模，原采用Cr12模具钢制作，尽管凹模壁厚大40mm左右，但在服役过程中常出现早期劈裂失效，模具使用寿命仅为0.1万-0.2万次。当改用T8A钢制作凹模，模具内孔采用喷水淬火，形成了有利于提高疲劳抗力的表面硬化层，凹模使用寿命可以达到2万次以上；T8模具钢冲头经碳化物微细化处理后低温淬火，可显著减少崩裂，使模具使用寿命提高10倍；适用于各种中小生产批量的模具和抗冲击载荷的模具；T8模具钢经8603h稀土硼共渗处理后，表面硬度为1622HV,渗层深度为9um；T8模具钢凸模经稀土硼共渗处理后，冲压件的毛刺数量明显减少，使成品质量和凸模使用寿命明显提高；采用淬火+高温回火球化处理新工艺，用于简单冲模、冲头、剪刃等，可比普通球化工艺节省20%时间，退火质量好、效率高、耗能低，但操作略显麻烦；碳素工具钢仅适于制作尺寸不大、受力较小、形状简单以及变形要求不高的塑料膜记算机模拟热处理过程在生产产品和分析产品性质上日益突出其优。人们普遍使用计算机有限元法来计算某些极其复杂的产品的稳态和瞬态方面的问题。随着计算机技术的发展，很多有限元分析软件得到普及，其中最普遍的ANASYS准确性较高，实用性较强，得到很多方面的使用。本文通过综合考虑材料热物性参数、界面换热系数随温度的非线性变化对温度场的影响，对T8钢圆柱体水淬过程温度场变化进行了模拟计算。利用计算机辅助设计的强大计算能力和存储能力以及对图形的解读能力，在对一些工程和某些产品零件的分析上取得理想的成果和效益。它是以计算机及其系统软件作为基础，包括方案设计、优化设计、有限元设计、仿真模拟及产品数据管理等内容1。1.1 T8钢的基本结构和淬火工艺基础1.1.1 T8钢的基本结构 钢铁是以铁和碳为主要组成元素的合金材料。钢铁材料是工业中应用最广、用量最多的金属，其品种繁多、性能各异。T8钢是淬硬型塑料模具用钢。淬火回火后有较高硬度和耐磨性，但热硬性低、淬透性差、易变形及强度较低。用作需要具有较高硬度和耐磨性的各种工具，比如形状简单的模子和冲头、切削金属的刀具、打眼工具、木工用的铣刀、埋头钻、斧、凿、纵向手用锯、以及钳工装配工具、铆钉冲模等次要工具2。化学成份：T8碳素工具钢碳C：0.750.8硅Si：0.35锰Mn：0.40硫S：0.030磷P：0.035铬Cr：允许残余含量0.25、0.10(制造铅浴淬火钢丝时)镍Ni：允许残余含量0.20、0.12(制造铅浴淬火钢丝时)铜Cu：允许残余含量0.30、0.20(制造铅浴淬火钢丝时)注：允许残余含量Cr+Ni+Cu0.40(制造铅浴淬火钢丝时)1.2 淬火工艺基础钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度保温一段时间后使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温度）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。在通常情况下淬火的温度，亚共析钢的淬火温度为Ac3以上30-50；过共析钢和共析钢的淬火温度在Ac1以上30-50。加热时间有两个步骤，一是升温二是保温。通常情况下以装炉后的温度达到淬火温度所需要的时间为升温阶段，并以此作为保温时间的开始，保温阶段是钢件温度均匀并完成奥氏体化所需要的时间3。淬火保温时间由设备的加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。对整体淬火而言，保温的目的是使工件内部温度均匀趋于一致。对各类淬火，其保温时间最终取决于在要求淬火的区域获得良好的淬火加热组织。加热与保温是影响淬火质量的重要环节，奥氏体化获得的组织状态直接影响淬火后的性能，一般钢件奥氏体晶粒控制在58级。要使钢中高温相奥氏体在冷却过程中转变为低温亚稳相马氏体，冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。工件在冷表面与心部的冷却速度有一定差异，如果这种差异足够大，则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体，而小于临界冷却速度的心部不能转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质，以保证工件心部有足够高的冷却速度。但是冷却速度大，工件内部由于热胀冷缩不均匀造成内应力，可能使工件变形或开裂。因而要考虑上述两种矛盾因素，合理选择淬火介质和冷却方式。冷却阶段不仅零件获得合理的组织，达到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形状精度，是淬火工艺过程的关键4。1.3 淬火后组织分析淬火后得到的组织有马氏体和贝氏体两部分。马氏体是由奥氏体急速冷却形成，这种情况下奥氏体中固溶的碳原子没有时间扩散出晶胞。当奥氏体达到马氏体转变温度Ms时，马氏体转变开始产生，母相奥氏体组=组织开始不稳定。在Ms以下某温度保持不变时，少部分的奥氏体组织迅速转变，但不会继续。只有当温度进一步降低，更多的奥氏体才会转变成马氏体。最后，温度到达马氏体转变结束温度Mf马氏体转变结束。马氏体还可以在压力作用下形成，这种方法经常用在硬化陶瓷上（氧化钇、氧化锆）和特殊的钢种（高强度、高延展性的钢）。因此，马氏体是体心立方结构，奥氏体是面心立方结构。奥氏体向马氏体转变仅需要很少的能量，因为这种转变是无扩散位移型的，仅仅是迅速和微小原子重排。马氏体密度低于奥氏体，所以转变后体积会膨胀。相对于转变带来的体积改变，这种变化引起的切应力、拉应力则更需要重视。马氏体在Fe-C相图中没有出现，因为它不是一种平衡的组织。平衡组织的形成需要很慢的冷却速度和足够时间扩散，而马氏体是在非常快的冷却速度下形成。由于化学反应（向平衡态转变）温度高时会加快，马氏体在加热情况下容易分解。这个过程叫回火。在某些合金中加入合金元素会减少这种马氏体的分解。比如，加入合金元素钨，形成碳化物强化积体。由于淬火过程难以控制，很多淬火工艺通过淬火后获得过量的马氏体，然后通过回火去减少马氏体含量，来获得合适的组织，从而得到性能要求。马氏体太多将使钢变脆，马氏体太少使刚变软。贝氏体又称贝茵体，钢中相形态之一。钢过冷奥氏体的中温（Ms-550）转变物，a-Fe和Fe3C的复相组织，用符号B来表示。贝氏体转变温度介于珠光体转变与马氏体转变温度之间，在贝氏体转变温度偏高区域转变产物叫上贝氏体（upbai-nite）（350-550），外观形貌似羽毛状贝氏体。冲击韧性较差，生产上应求避免。贝氏体转变温度下端偏低温度区域转变产物叫下贝氏体（Ms-350）。其冲击韧性较好。为了提高韧性，生产上应通过热处理控制获得下贝氏体5。2 ANASYS10.0热分析2.1 ANASYS软件介绍ANASYS用于计算一个系统或部件的温度分布以及其他热物理参数，在ANASYS/Multiphysics、ANASYS/Mechanical、ANASYS/Thermal、ANASYS/FLOTRAN、ANASYS/ED等产品中包含热分析功能，其中ANASYS/FLOTRAN不包含相变热分析。ANASYS10.0热分析基于能力守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点温度，并到处其他物理参数6。ANASYS10.0热分析分类，主要有两大类：稳态传热：温度分布场不随时间变化。瞬态传热：温度分布场随时间发生明显变化。2.2 热分析的目的热分析的目的是分析一个系统或某些部件的温度场分布和某些其它热物理量参数，如热量的得失、热量梯度、热流的密度（热通量）等，热分析对于很多生产和研究都非常重要7。2.3 热分析的基本理论2.3.1基本符号与单位表3.1 热分析基础单位项目国际单位英制单位ANSYS代号长度mft时间sS质量Kg1bm温度力N1bf能量（热量）JBUT功率（热流率）WBUT/sec热流密度W/mBTU/sec-ft生热速率W/mBTU/sec-ft导热系数W/m-BTU/sec-ft-KXX对流系数W/m-BTU/sec-ft-HF密度Kg/m1bm/ftDENS比热J/Kg-BTU/1bm-C焓J/mBTU/ftENTH注：在热分析中，摄氏度和华氏摄氏度换算关系为1=5/9（-32） 表3.2 热分析基础单位换算系数物理量符号换算系数国际单位制单位英制单位压力pPa1bf/in11.4503810-46.8947b101比热容ckJ/(kgK)Btu/(1b)12.3884610-14.186801热流率（功率）QWBtu/s13.412082.9307610-11热流密度q*W/mBtu/（sft）13.1699310-13.154641热导率W/(mk)Btu/(sft)1.730765.7778110-11.730761表面传热系数hf呂W/(m.K)111.7610810-15.6783212.3.2热传递的方式（1）传导，热传导遵循傅里叶定律 Q/t=KA(Th-Tc)/d (式3.1)式中Q为时间t内传热量或热流量；K为热传导率或传热系数；T为温度；A为平面面积；d为两平面之间的距离。（2）对流，热对流用牛顿冷却方程来描述q=h(Ts-Tb) (式3.2)式中h为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等），Ts为固体表面温度，Tb为周围流体的温度。（3）辐射，净热量传递可以用史蒂芬-波尔兹曼方程来计算q=A1F12(T14 - T24) (式3.3)在绝大多数情况下，我们分析的热传导问题都带有对流和辐射边界条件8。2.3.3热力学第一定律 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或留出）Q-W=U+KE+PE (式3.4) 式中 Q热量；W做功；U系统热力能；KR系统的动能；PE系统的势能。在大多数的热问题：KE=PE=0 (式3.5) 如果考虑没有做功的话：W=0，则，Q=U (式3.6)在稳态热分析：Q=U=0。而对于瞬态热分析的话：q=Du/dt热分析的控制方程。2.3.4热传导控制微分方程x(xxTx)+Ty(yyTy)+z(yyTz)+q=cdTdt (式3.7)其中dTdt =Tt +VxTx +VyTy +VzTz (式3.8)其中，Vx，Vy，Vz为媒介的传导速率快慢。将控制微分方程转成等效的积分形式：vol（cT(Tt +vTLT)+LTT(DLT）d(vol) =s2T q*d(S2)+s3Thf(Tb-T)d(S3)+volTqd(vol) (式3.9)式中 vol单元体积；LT=x y z ；q单位体积的热生成；hf表面的传热系数；Tb流体的温度大小；T温度的虚变量大小；S2热通量的施加面积大小；S3对流的施加面积大小9。2.4 ANASYS稳态热分析稳态传热对于分析稳定的热载荷在系统或某一部件的影响，一般情况下在进行瞬态热分析以前都会进行稳态分析，这样可以确定初始温度分布。稳态热分析一般可以在有限元计算中确定稳定热载荷得到温度、热量梯度、热流率等参数的情况。2.4.1热载荷和边界条件的类型 ANASYS10.0热载荷分四类： （1）DOF约束：指定的DOF（温度）数值 （2）集中载荷：集中载荷（热流）施加在点上 （3）面载荷：在面上的分布载荷（对流，热流） （4）体载荷：体积或区域载荷表2.3 ANASYS10.0中载荷类型施加载荷载荷分类实际模型载荷有限元模型载荷温度约束在关键点上在线上在面上在节点上均匀热流率集中力在关键点上在节点上对流面载荷在线上（2D）在面上（2D）在节点上在单元上热流面载荷在线上（2D）在面上（2D）在节点上在单元上热生成率体载荷在关键点上在面上在体上在节点上在单元上均匀温度均匀的温度可以施加到全部的节点上，而不是一种温度的束缚，通常只在施加初始温度而非约束，在稳态或瞬态分析的第一个子步骤加在全部节点上。它也可以用于估计随温度变化材料特性的初值。热流率热流率是集中节点的载荷。正的热流率是能量流入实体和模型。热流率也可以施加在某些关键点上。这种载荷一般用于对流以及热流不能施加的情况下。施加该载荷到有很大差距的区域的热导率上时应注意。对流施加在实体和模型外表面上的载荷，模拟热量交换。热流同样在面载荷，使用在热流率已知的面的情况下。热流输入模型由正热流值来表示。热生成率作为体载荷施加，代表体内生成的热，单位是单位体积内的热流率10。2.4.2稳态热分析基本步骤无论是稳态热分析还是瞬态热分析，均可将ANASYS10.0热分析分为3个步骤：前处理：建模；求解：施加载荷计算结果；后处理：查看结果。 (1)建模确定jobname、Title、Unit。进入PREP7钱处理，定义单元类型，设定单元选项。定义单元实常数。定义材料热性能参数，对于稳态传热，一般只需定义热导率，它可以使恒定的，也可以随温度变化。创建几何模型并划分网格。（2）施加载荷计算定义分析类型如果进行新的热分析，则GUI操作：选择Main MenuSolutionAnalysis Type-New AnalysisSteady-state。命令：ANTYPE，STATIC,NEW。如果继续上次分析，比如增加边界条件等，则GUI操作：选择Main MenuSolutionAnalysis TypeRestart。命令：ANTYPE,STATIC,REST。施加载荷可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷（边界条件）。恒定的温度GUI操作：选择Main MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalTemperature。命令：D。热流率GUI操作：选择Main MenuSolutionDefie LoadsApplyThermalHeat Flow。命令：F。对流命令：SF。热流密度GUI操作：选择Main MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalHeat Flux。命令：F。生热率GUI操作：选择Main MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalHeat Generat。命令：BF。确定载荷步选项确定分析选项保存模型 点击ANASYS工具条SAVE_DB求解（3）查看结果进入通用处理器和/或时序后处理器。使用列表、绘图等查看结果。查看误差估计。验证求解。2.5 ANASYS瞬态分析2.5.1瞬态热分析特性瞬态热分析是用于分析计算随时间变化的温度场和其他热参数的系统。研究上基本用瞬态热分析分析温度场，作为热载荷进行应力分析。瞬态热分析的步骤类似于稳态热分析。它们的主要区别是各自的载荷是随时间的变化是否发生变化。时间在稳态热分析中仅用于计数，现在有了明确的物理意义。热能存储效应在稳态分析忽律其影响，在瞬态分析要考虑进去。“时间”在两者中都用作步进参数。每个载荷步和子步都和特定的时间有关系，即使求解本身可能不随速率而变化11。2.5.2时间步长设置时间步长是影响非线性求解精度和效率的最主要因素，通常情况，当时间步长减少：（1）发散可能性的求解会下降（2）结果更加准确（3）迭代次数的求解下降（4）分析的时间增长优化的时间步长有许多因素影响，主要影响因素如下：非线性的程度和类型载荷位置和类型网格大小3 T8钢圆柱体有限元分析3.1问题描述利用ANSYS的热分析功能对材料为T8钢圆柱体进行瞬态热传递分析。圆柱体的直径为40mm ，高为50mm分析时作以下假设：假定圆柱体在分析过程中与周围环境介质仅发生对流。分析时忽略T8材料的热物理性能参数（导热系数和比热）随温度变化的影响。假设T8圆柱体的初始温度为室温25，将其放入800的炉中加热并保温，持续60分钟，将其突然放入温度为20的水中冷却7分钟，水的对流系数为1000 W/(m2.)。求解：加热10分钟、30分钟、40分钟、60分钟以及水淬冷阶段的1秒、3分钟、5分钟、7分钟圆柱体的温度场分布情况。圆柱体上特殊点温度随时间变化的关系曲线12。表4.1 T8材料热性能参数密度（Kg/m）导热系数（W/ m2.）比热（J/(kg. )）7731305733.2圆柱体加热及水淬温度场模拟求解步骤3.2.1定义分析文件名选择Utility MenuFileChange Jobname，在弹出的对话框中输入Exercise1，然后点击OK。3.2.2定义单元类型选择Main MenuPreprocesorElement TypeAdd/Edit/Delete,在弹出对话框中选择Thermal Solid和Quad 4node 55,点击OK后在单元增添对话框中然后点击Close3.2.3定义材料属性点击PreprocessorMaterial PropsMaterial Models，出现Define Material Model Behavior对话框。在Material Models Availabel列表框中依次双击ThermalConductivityIsotropic选项，出现Conductivity for Material Number1对话框，在文本框中输入30，单击OK按钮关闭该对话框。双击Define Material Model Behavior对话框上的Specific Heat按钮，出现Specific Heat for Material Number 1对话框，在文本框中输入573，单击OK按钮关闭对话框。双击Define Material Model Behavior对话框上的Density按钮，出现Density for Material Number 1对话框，在文本框中输入7731，单击OK按钮关闭该对话框。3.2.4建立几何模型该钢件属于轴对称模型。点击PreprocessorModelingAreasRectangleBy Demensions，出现Create Rectangle by Dimensions对话框。参照下图对其进行设置，单击OK按钮关闭该对话框，如图3.1所示。图3.1 生成矩形面对话框3.2.5控制单元大小 选择Main MenuPreprocesorMeshingSize CntrlsManualsizeGlobalSize,在Element edge length框输入0.001，点击OK，如图3.2所示图3.2 划分网络大小对话框3.2.6划分单元 选择Main MenuPreprocesorMeshingMeshVolumesFree, 在弹出对话框点击Pick All。图3.3 划分网络成形图3.2.7设定求解选项 选择Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis,弹出如下对话框，点击OK按钮选择Transient瞬态分析类型，在再次弹出的窗口选择Full选项，点击OK关闭对话框，如图3.5所示图3.4 分析类型对话框图3.5 求解方式对话框选择Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Controls,弹出Solution Controls对话框，在Time at end of loadstep文本框输入3600，将Automatic time stepping至于On位，Time step size文本输入1，Minimum time step文本框输入1，Maximum time step文本框输入6，Frequency置于Write every substep位，点击OK关闭对话框，如图3.6所示图3.6 求解控制基本选项设置对话框施加初始温度选择Main MenuSolutionDeline LoadsApplyThermalTemperatureUniform temerature,在对话框的Lab中选TEMP,VALUE中输入25点击OK，如图3.7所示图3.7 设置初始温度对话框选择Utility MenuSelectEntities命令，出现SELECT Entities对话框。在第1个下拉列表框中选择Lines选项，其余选项均采用默认设置，单击OK按钮，出现Select lines菜单，选择上,下,右3条线，单击OK按钮关闭该菜单。选择Utility MelectSelectEntities命令，出现SELECT Entities对话框。在第1个下拉列表框中选择Nodes选项，在第2个下拉列表框中选择Attached to选项，然后选择Lines all单选按钮，再单击OK按钮关闭该对话框。施加对流换热载荷 选择Utility MenuPlotAreas,选择Main MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalConvectionOn Nodes命令，出现Apply CONV on nodes菜单，单击Pick All按钮，出现Apply CONV on nodes对话框，参照下图进行设置，单击OK关闭该对话框，如图3.8所示图3.8 施加对流载荷对话框选择Utility MenuSelectEverything命令。Main MenuSolutionAnalysis TypeAnalysis Optinos命令，出现Full Transient Analysis对话框。参照下图进行设置，单击OK关闭该对话框，如图3.9所示图3.9 瞬态分析选项设置对话框3.2.8求解 选择Utility MenuSolutionSolveCurrentLS弹出Solve Current Load Step对话框，点击OK，开始进行求解。当出现下图时表示求解结束，如图3.10所示图3.10求解结束对话框4 结果与分析对于该圆柱体零件，为轴对称零件，在此选取以下3点为研究对象：圆柱体的几何中心（A）、圆柱体顶圆中心（B）、圆柱体顶圆边上（C）的点。4.1 加热4.1.1加热过程零件的温度场分布图4.1 10分钟温度变化 图4.2 30分钟温度变化图4.3 40分钟温度变化图4.4 60分钟温度变化4.1.2加热过程中圆柱体上特殊点随时间的温度变化图4.5 A点温度随时间的变化关系曲线 图4.6 B点温度随时间的变化关系曲线图4.7 C点温度随时间的变化关系曲线4.2 水淬4.2.1水淬过程零件的温度场分布图4.8 1秒温度场分布图4.9 3分钟温度场分布图4.10 5分钟温度场分布图4.11 7分钟温度场分布4.2.2水淬过程中圆柱体上特殊点的随时间的温度变化 图4.12 A点温度随时间的变化关系曲线图4.13 B点温度随时间的变化关系曲线图4.14 C点温度随时间的变化关系曲线综合温度场分布图及各点曲线图，我们可以看出，在工件加热的时候，C点温度上升的最快，在冷却的时候，C点的温度下降的也最快。各点的温度随时间的变化的速度不一样，由于所选节点的接触位置不一样，导致温度变化的速率也不一样，这主要原因是由于各节点与介质的的接触面积不一样。而A点在整个时间段内变化相较于其他点最小，这是由于该节点选择的是位于圆柱体的中心位置，未与介质接触，它的温度变化只能靠零件本身传热。(1)时间从结果我们可以看出，如果相应的加热保温时间增长，零件的内部温度就越高，淬透性也就越好。(2)淬火介质由上面的分析我们不难发现：水是冷却能力较强的淬火介质。来源广、价格低、成分稳定不易变质。缺点是在曲线的“鼻子”区（500600左右），水处于蒸汽膜阶段，冷却不够快，会形成“软点”；而在马氏体转变温度区（300100），水处于沸腾阶段，冷却太快，易使马氏体转变速度过快而产生很大的内应力，致使工件变形甚至开裂。当水温升高，水中含有较多气体或水中混入不溶杂质（如油、肥皂、泥浆等），均会显著降低其冷却能力。因此水适用于截面尺寸不大、形状简单的碳素钢工件的淬火冷却。淬火冷却过程中，部件冷却速度不一样，这有可能导致部件各部分受热不均匀而出现断裂的情况。所以，淬火介质的选择在整个淬火过程