毕业设计（论文）-T10钢淬火过程温度场分析.doc

T10钢热处理淬火过程温度场分析摘 要：随着当今计算机技术的迅速发展，淬火过程的计算机模拟越来越受到人们的重视，已成为现在淬火过程研究和淬火工艺设计中不必可少的重要方法。本文运用有限元软件ANSYS软件的热分析模块对T10钢圆柱体淬火过程进行建模、网格划分、加载及求解，得到T10钢圆柱体淬火不同时刻的温度场，及T10钢圆柱体上所选特殊点随淬火时间变化的温度场曲线图，建立淬火过程的数学模型。模拟结果与实际情况较为符合，并通过实验结果分析出淬火过程温度场分布对T10钢组织和力学性能的影响。关键词：T10钢 有限元模拟 温度场Temperature field analysis of T10 steel duringheat treatment quenchingAbstract：Along with the rapid development of computer technology today, quenching process of the computer simulation more and more by peoples attention, has become now quenching process research and quenching process design does not have to be less important method. In this paper, the thermal analysis module of finite element software ANSYS software of T10 steel cylinder in quenching process of modeling, meshing, loading and solving, the temperature field of quenching of T10 steel cylinder at different time, and T10 steel cylinder selected special point with the quenching time changes of temperature curve diagram, establish mathematical model of quenching process. The simulation results are in accord with the actual situation and the influence of temperature distribution of the quenching process on the microstructure and mechanical properties of T10 steel is analyzed by the experimental results.Keywords: T10 steel Finite element simulation Temperature field目 录1 绪论11.1 研究的目的及意义11.2 国内外研究进展21.3 研究的主要内容及研究手段21.3.1 研究的内容21.3.2 研究的手段32 T10钢热处理工艺制定及ANSYS软件42.1 T10钢材料简介42.2 淬火加热温度的选择52.3 淬火概述62.3.1 淬火目的62.3.2 淬火必要条件62.3.3 淬火介质72.3.4 淬火工艺曲线82.4 ANSYS软件92.4.1 ANSYS软件概述92.4.2 ANSYS有限元分析流程133 ANSYS有限元分析153.1 淬火过程热传导方程153.2 ANSYS热分析153.3 基于ANSYA的淬火温度场分析163.4 定义单元类型173.5 前处理阶段173.5.1 建立模型173.5.2 网格划分183.6 温度场分析193.7 水冷特殊位置随时间变化203.8 模拟结果分析224 结论和展望244.1 课题研究得出结论244.2 展望24致 谢25参考文献26 III太原工业学院毕业设计1 绪论1.1 研究的目的及意义 在当今社会生产中，金属材料的应用是十分广泛的，尤其是金属材料，工业、农业、交通运输、建筑以及国防等各方面都离不开他。随着现代化及科学技术的发展，人们对金属材料的性能要求越来越高。为满足这一要求，一般可以采取两种方法：研制新材料和对金属材料进行热处理。后者是最广泛，最常用的方法。碳素工具钢是碳的质量分数在0.65%1.35%之间，经过热处理后可得到高硬度和高耐磨性，主要用于制造各种工具、刃具、模具和量具。与合金工具钢相比，它的加工性能更良好，价格低廉，使用范围广泛，所以它在工具的生产中需求较大。碳素工具钢分为碳素刃具钢、碳素模具钢和碳素量具钢。碳素刃具钢指用于制作切削工具的碳素工具钢，碳素模具钢指用于制作冷、热加工模具的碳素工具钢，碳素量具钢指用于制作测量工具的碳素工具钢。热处理是一种综合工艺。热处理工艺学就是研究这种综合工艺的原理及规律的一门学科。热处理是在没有改变原有材料的情况下，充分发挥材料的性能潜力，这对提高产品的内在质量，节约材料，延长产品的使用寿命，发挥材料的潜力，提高经济效益都具有十分重要的意义1。而金属热处理就是机械制造中的重要工艺之一，与其他的加工工艺相比，热处理一般不会改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或者改变工件表面的化学成分，改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般并不是肉眼所能看到的。为使金属工件具有所需的力学性能、物理性能和化学性能，除合理的选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业制造中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，从而可以通过热处理予以控制，所以钢的热处理就是金属热处理的主要内容。而钢的热处理是指把钢在固态下加热、保温、冷却，通过以改变钢的内部组织结构从而获得所需性能的热加工工艺2。根据加热、冷却方式及获得的组织和性能的不同，钢的热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理（表面淬火和化学热处理）及形变热处理等3。热处理工艺是整个机械加工过程种的一个重要环节，它与工件设计及其它工艺之间存在密切关系。如何实现工件设计时提出的几何形状和加工精度，满足设计时所要求的多种性能指标，热处理工艺制定的合理与否，有着至关重要的作用。1.2 国内外研究进展 金属热处理早在公元前就已经在使用了，直到二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。夏立红等采用低温淬火后，有效地解决了45钢处于危险尺寸以致出现零件淬火裂纹的问题4。朱圆圆等利用ansys软件对淬火过程温度场的进行了数值模拟，数值模拟的结果符合生产实际并且运算速度较快，该方法明显优于传统的人工测量和经验判断方法5。王能为等通过形变球化退火热处理达到了节能和提高生产效率的目的6。赵琳通过正火、淬火、中温回火等热处理工艺，改变了45钢的内部组织，从而改变其性能，使45钢短轴具有了优良的综合机械性能和良好的切削加工性能，不仅改善了表面耐磨性，而且工件中心部分也得到了较高韧性，满足了使用要求7。夏浩杰等通过优化T12钢丝锥的热处理工艺，合理选择热处理工艺参数，有效地减少或消除了其淬火裂纹的出现8。刘祥等利用ANSYS软件对铸钢车轮铸造过程进行了瞬态热分析模拟，从而可以预测缩孔、缩松、热裂等缺陷出现的位置及可能性,为优化铸造工艺方案提供了科学依据9。赵永忠等利用有限元分析软件对中厚板轧后控冷过程进行了有限元模拟, 得到了钢板在水冷条件下的温降曲线及瞬态温度场分布, 为制定合理的控冷工艺提供了有力的指导作用10。孔祥伟等采用有限元分析软件ANSYS 对四辊轧机工作辊的温度场进行了模拟, 在模拟过程中,动态分析了热轧时工作辊的升温过程, 预测了工作辊的瞬态温度分布, 并将所得的温度分布用于热凸度的近似计算中, 其计算结果与文献结果相吻合11。1.3 研究的主要内容及研究手段 1.3.1 研究的内容 1、制定T10钢热处理工艺。2、模拟计算T10钢热处理水冷过程某些时刻温度场的分布。3、模拟计算热处理水冷过程某些位置温度场变化随时间的变化关系。4、分析热处理水冷过程温度场分布对T10钢组织和力学性能的影响。1.3.2 研究的手段 本文采用ansys有限元软件模拟T10钢热处理淬火温度场，分析T10钢热处理水冷过程某些时刻温度场的分布，和热处理水冷过程某些特定位置温度场变化随时间的变化关系，并分析了热处理水冷过程温度场分布对T10钢组织和力学性能的影响。并且将淬冷过程中的相变潜热、综合换热系数、定压比热容等随温度变化的因素进行考虑。力求模拟结果更接近于生产实践。 2 T10钢热处理工艺制定及ANSYS软件 2.1 T10钢材料简介 从图2.1可以看出：T10钢，为过共析钢，在淬火加热时不易过热，仍保持细晶粒。韧性尚可，强度及耐磨性均较T7-T9高些，但热硬性低，淬透性不高，淬火变形大。这种钢应用较广，适用于制造切削条件较差、耐磨性要求较高且不受突然和剧烈冲击振动而需要一定的韧性及具有锋利刃口的各种工具，如车刀、刨刀、钻头、丝锥、扩孔刀具、螺丝板牙、铣刀手锯锯条、小尺寸冷切边模及冲孔模，低精度而形状简单的量具(如卡板等)，也可用作不受较大冲击的耐磨零件。 图2.1 铁碳合金相图T10钢是碳素工具钢，其化学成份见表2.1,临界转变见表2.2。表2.1 T10钢的化学成分12化 学元 素CSiMnPSwt%0.970.320.400.270.020表2.2 T10钢的临界转变点13Ac1AcmAr1Ms 730800700175210T10的密度为7.81t/m3见表2.3，其热导率见表2.4。表2.3 T10钢的密度14表2.4 T10钢的热导率14温度/20100300600900热导率/w.(m.K)-140.2043.9641.0338.1033.91 2.2 淬火加热温度的选择 T10钢（过共析钢），Acm 为800，AC1为730，其加热温度为AC13050，即770,780,790。若加热温度不足（低于AC1），则淬火组织中将出现铁素体而造成强度及硬度的降低。2.3 淬火概述 2.3.1 淬火目的 钢的淬火是以获得马氏体组织为目的的热处理工艺。它是将工件加热至奥氏体化或部分奥氏体化的温度，然后大于临界冷却速度（vk）冷至Ms点以下，使钢发生马氏体转变15。淬火的目的一般有以下几个方面：（1）提高钢的硬度和耐磨性工具、轴承等工件一般采用高碳钢来制造，并淬火得到马氏体（部分下贝氏体），再配以低温回火，从而提高工件的硬度和耐磨性。（2）获得优异的综合力学性能齿轮、轴类、结构件等重要的机械零件，都要求具有良好的综合力学性能，即高强度和高韧度，一般用低、中碳钢制造并淬火得到马氏体，再进行高温回火。（3）获得某些特殊的物理和化学性能例如不锈钢、耐热钢、磁钢等，都可以通过淬火从而获得一定的物理或化学性能。 2.3.2 淬火必要条件 根据上述淬火的含义，实现淬火过程的必要条件是加热温度必须高于临界点以上（亚共析钢Ac3，过共析钢Ac1），从而获得奥氏体组织，然后冷却速度必须大于临界冷却速度，从而淬火得到的组织结构是马氏体或下贝氏体，后者是淬火本质。因此，不能只是根据冷却速度的快慢用来判别是否是淬火。关于临界冷却速的概念在研究连续冷却转变图（CCT图）可知道，从淬火工艺角度来考虑，若允许得到贝氏体，则临界淬火冷却速度应在连续转变图中能抑制珠光体（包括先共析组织）转变的最低冷却速度。如果以得到全部马氏体作为淬火定义，则临界冷却速度应该为可以抑制所有非马氏体转变的最小冷却速度。一般没有特殊说明的，所谓临界冷却速度，均指得到马氏体组织的最低冷却速度。显然，工件实际淬火效果要取决于工件在淬火冷却时各部分的冷却速度。只有那些冷却速度大于临界冷却速度的部位，才能达到淬火的目的16。2.3.3 淬火介质 淬火介质，即为实现淬火目的用的冷却介质。按聚集状态不同，淬火介质可分为固态、液态、和气态三种。最常用的淬火介质是液态介质。常用淬火介质16及其冷却特性如下：(1) 水水是最常用的淬火介质，不仅来源广，而且具有良好的物理和化学性能。水是汽化热在0为2500KJ/kg，100为 2257KJ/kg，传导系数在20时为2.2KJ/（mh）。水作为淬火介质主要的缺点是：冷却能力对于水温的变化是很敏感的，水温升高，冷却能力便会快速下降，并使对应最大冷却速度的温度从而转移向低温，故而使用温度一般为2040，最高不允许超过60；在马氏体转变区的冷速太大，易使工件严重变形甚至开裂，从而报废。(2) 盐水与碱水为了提高水的冷却能力，从而往往在水中添加一定量（一般为510%）的盐或碱，目前比较普遍采用的是食盐水溶液，因为盐水的冷却特性比纯水高，其高温（650550）区间的冷却能力大约为水的10倍，故使钢件淬火后的硬度较高且均匀；同时盐水的冷却能力受到温度的影响也较纯水小，因此目前生产中盐水已经完全取代了纯水进而广泛用于碳钢的淬火。盐水的使用温度一般为60以下。盐水的缺点是在低温（200300）区间冷却速度仍然很大。碱水作为淬火介质，常用的是515%苛性纳 （NaOH）水溶液。它在高温区间的冷却能力比盐水还要大，而在低温区间的冷却能力则与盐水相近。此外它还能与已氧化的工件表面作用从而析出氢气，使氧化皮易于脱落。淬火后工件呈银灰色，表面比较洁净，一般不需要清理，故又称其为光亮淬火。但碱水的应用不如盐水广泛，其原因是苛性纳对工件及设备的腐蚀比较严重，淬火时有制激性气体产生，对皮肤有腐蚀性，以及易于老化变质等。(3) 油淬火用油有植物油与矿物油两大类。植物油有豆油、芝麻油等，虽然有比较好的冷却持性，但因为容易老化、价格昂贵等缺点，已经被矿物油所取代。用油作为淬火介质的主要优点是：油的沸点一般比水高150300，其对流阶段的开始温度也比水高很多，由于一般在钢的Ms从点附近就已进入对流阶段。故低温区间的冷却速度远小于水，将有利于减少工件的变形与开裂倾向。油的主要缺点是：高温区间的冷却能力很小，仅为水的1/51/6，只能用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火。此外，油经长期使用还会发生老化，故需定期过滤或更换新油等。提高油温可以降低粘度，增加其流动性，从而提高其冷却能力。油温一般应控制在6080，最高不超过100120（即油的工作温度应保持在闪点以下100左右），以免着火。本课题采用淬火冷却介质为 20的静态水。2.3.4 淬火工艺曲线T10钢淬火工艺曲线如图2.2图2.2 T10钢淬火工艺曲线图 在淬火冷却的过程中，因为零件内部温度分布的不均匀，组织转变过程的不均匀从而形成热应力和相变应力，这些应力的存在将直接影响零件的组织性能和使用寿命。如果热处理不当，将会造成零件的组织性能达不到预定的要求，甚至会产生过量变形或开裂从而报废。生产实践表明，淬火冷却过程是热处理工艺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以掌握的环节。要评估淬火零件的组织转变情况及淬火残余应力，必须确定淬火冷却过程中零件材料内部的温度随时间变化的分布规律。因而淬火过程温度场的确定是优化热处理工艺、提高零件内在质量的主要依据17。淬火过程温度场分布的传统分析方法是实验测定和经验判断。由于淬火是一个相当复杂的过程，并且受到多种因素影响，而使得各种因素之间又相互作用、又相互制约。因此传统的方法不能完整、全面、准确地分析和预测淬火过程的温度场18。计算机模拟（仿真）可以将热处理过程中的物理现象和零件的几何造型有效的结合起来，实现动态的、逼真的模拟，因此使用这一计算机技术分析和研究淬火过程已受到了高度的重视。对于外形规则、对称的零件如轴、板等，现在已经有多种方法计算其温度场19。但对于外形过于复杂的零件，若要从编制程序、调试、改进到应用过程完全靠几个技术人员手工完成，则由于问题过于复杂，不仅要消耗大量的人力和时间，而且很难保证程序中出现的人为错误，使之留下隐患。而ANSYS软件不仅解决了这些问题，而且可以更加准确的描述零件的几何形状和定解条件，特别是它还可以处理一些非线性初边值问题，可以很容易获得钢件淬火过程动态图、温降历程、温度分布，因而特别适合复杂零件淬火过程温度场的动态模拟20。本文则通过综合考虑材料的热物性参数及界面换热系数随温度变化对温度场的影响，对T10钢淬火冷却过程的二维温度场变化进行了模拟计算，使计算结果更加逼近二维零件真实淬火的过程。2.4 ANSYS软件 2.4.1 ANSYS软件概述随着计算机技术的快速发展，很多有限元分析软件得到了普及，其中最普遍的ANSYS软件因为准确性较高，实用性较强，得到了很多方面的使用。ANSYS主操作窗口和隐藏的信息输出窗口如图2.3和图2.4所示。 图2.3 ANSYS主操作窗口 图2.4 ANSYS隐藏的信息输出窗口 ANSYS软件包括三大主要模块：前处理模块、分析计算模块和后处理模块21如图2.5所示。 图2.5 ANSYS包括三大主要模块下面对ANSYS软件的三大主要模块功能作简要的介绍16。1. 前处理模块ANSYS软件的前处理模块主要拥有三种功能：参数定义、实体建模和网格络划分。（1） 参数定义ANSYS程序在进行结构建模的过程中，首先要对所有被建模型的材料进行参数定义，包括定义所使用的单位制、单元类型、单元的实常数、材料的参数以及使用的材料库文件等。在单位制的制定中，ANSYS并没有为分析指定固定的系统单位，除了磁场分析之外，可以使用任一种单位制，只要能保证输入的所有数据都是使用同一种单位制的单位即可。结构进行网格划分的必要前提就是单元类型的定义，ANSYS程序进行实际的网格划分就是根据单元类型所定义的。而单元实常数的确定也依赖于单元类型的特征。材料特性是针对每一种材料的性质参数，比如在对材料进行热分析的过程中，首先要知道这种材料的热导率和比热容。在一个分析过程中，可能会有许多个材料特性组，每一组材料的特性都有一个材料参考号，ANSYS软件则会通过独特的参考号来识别每一个材料特性组。对于每一个有限元分析，尽管可以分别定义材料的参数，但ANSYS软件则允许用户将所有材料特性参数设置存储进一个档案材料库，然后在多个分析中取出该设置并重复使用，这样就快速提高了工作效率。（2） 实体建模在实体建模过程中，ANSYS程序提供了两种方法：ANSYS环境中直接实体建模和输入CAD中创建的几何模型。对于一个有限元模型，ANSYS软件中的图元由低到高的顺序分别是：点、线、面、体、节点和单元。ANSYS软件提供了很多高级图元的建立，如球体、圆柱等。当要直接构建高级图元时，程序就会自动定义相关联低级图元。另外，也可以先定义点、线、面，然后再由所定义的图元生成体，无论采用哪种方式进行建模，都需要用布尔操作来组合结构数据，以构建获得想要得到的几何模型。（3） 网格划分ANSYS系统的网格划分功能十分强大，使用起来很方便。从使用选择的角度来讲，ANSYS程序的网格划分可以分为系统职能划分和人工选择划分两种。从网格划分的功能来讲，则包括四种划分方式：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸划分就是将一个二维网格单元延伸成为一个三维网格单元。映像划分就是将一个几何模型分解成为几个部分，然后选择每个合适的单元属性和网格控制，并加以划分生成映像网格，ANSYS软件提供了六面体、四面体、四边形和三角形的映像网格划分。自由划分就是由ANSYS软件的网格自由划分器来实现的，通过这种划分就可以避免不相同的组件在装配过程中网格不匹配所带来的一些问题。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型后，用户指示程序自动生成有限元网格，分析并估计网格的离散误差，然后重新定义网格的大小，再次分析计算并估计网格的离散误差，直到离散误差低于用户所定义的值或者是达到用户所求解的次数。2. 求解模块（SOLUTION）求解模块是程序用来完成对已经生成的模型进行分析和求解。在此阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项。（1） 定义分析类型和分析选项用户可以根据所施加的载荷条件和所需要计算的响应来选择分析的类型。例如，要温度场分析，就必须选择热分析。在ANSYS程序中，可以进行下列类型的分析：静态、瞬态、模态和子机构等。另外，有一点要说明的是，并不是所有的分析类型对所有的要求都有效。例如，模态分析对热模型就根本无效。分析选项允许用户自定义分析类型。典型的分析选项包括NewtonRaphson的选择、求解器的选择等等。（2） 载荷一般所谓的载荷应该包括边界条件（约束、支承或边界场的参数）和其他外部或内部的作用载荷。（3） 指定载荷步载荷步选项就是用于更改载荷步的选项，如子步、载荷步的结束时间和输出控制。在ANSYS分析过程中，根据所作的分析类型，载荷步可有可无。3. 后处理模块（POST1和POST26）当完成计算后，可以通过后处理器查看计算结果。ANSYS软件程序的后处理模块包括两个部分：通用后处理模块（POSTI）和时间历程后处理模块（POST26）。通过ANSYS程序的菜单操作，可以很方便地获得求解的计算结果。结果的输出形式有图形显示和数据列表两种。（1） 通用后处理模块（POST1）通用后处理器可以用于查看整个模型或选定的部分模型在某一子步的结果。可以获得等值线显示、变形形状以及检查和解释分析结果和列表。通用后处理器也提供了很多其他的功能，包括误差估计、载荷工况组合、结果数据的计算和路径操作等。（2） 时间历程后处理器（POST26）时间历程后处理器为时间历程后处理模块，可用于查看模型的特定点在所有时间步内的结果。可获得结果数据对时间的关系图形曲线以及列表。如绘制位移一时间列表件；应力-应变曲线等。另外，POST26还具有其他的功能，如可以进行曲线的代数运算，变量之间可以进行加、减、乘、除等运算以产生新的曲线；也可以取绝对值、平方根、对数、指数、以及求最大最小值等；并且可以求出曲线的微积分运算；还能够从时间历程结果中生成谱响应。2.4.2 ANSYS有限元分析流程 应用ANSYS分析工程问题的过程如流程如图2.6所示16：图2.6 ANSYS工程分析流程图3 ANSYS有限元分析 3.1 淬火过程热传导方程 对于一切不包含流场项的传热现象都能用传热通用方程和反映传热体与环境交互关系的边界条件描述。对于三维圆柱坐标系，坐标变量用z、r、表示，热传导方程如式所示22： 式中 ：材料的密度cp：等压比热容：热传导系数 q：材料的内热源强度，此处代表相变潜热 T：温度 t：时间为简化起见，这里假设、cp、各向同性，且仅是温度的函数。15太原工业学院毕业设计3.2 ANSYS热分析 利用ANSYS软件的热分析模块对钢件淬火过程进行数学模型分析，并通过建模、划分网格、加载及求解,得到了钢件在淬火过程中不同时刻的温度场分布以及在某一时刻钢件不同关键点的温度变化趋势。热分析中基本符号及国际单位见表3.1所示。 表3.1 热分析基础单位项目国际单位ANSYS代号长度m时间s质量Kg温度力N能量（热量）J功率（热流率）W热流密度W/m生热速率W/m导热系数W/m-KXX对流系数W/m-HF密度Kg/mDENS比热J/Kg-C焓J/mENTH 3.3 基于ANSYA的淬火温度场分析 某圆柱体零件材质为T10钢，零件尺寸为40mm20mm，如图3.1所示。将其加热到800，在25（室温）水中淬火, 用ANSYS 软件模拟：（1）T10钢淬火4s、16s、30s的温度场分布；（2）T10钢圆柱体中心点、上底面圆心点、上底面圆周任一点温度场变化随时间变化的关系。淬火过程属于瞬态热分析问题。图为钢件的实体图，A、B、C点分别为圆柱体中心点、上底面圆心点、上底面圆周一点。 图3.1 试样的几何模型3.4 定义单元类型 每一个单元类型都具有惟一的编号和一个标识单元类别的前缀，如PLANE2、BEAM4等。单元类型决定了单元的自由度以及单元是在二维空间还是三维空间内16。根据要求，本课题属于瞬态热分析问题，选择单元类型为Quad 4node 55。3.5 前处理阶段 3.5.1 建立模型 因为建模过程将耗费工作人员大量的精力和时间,因此,按照建模通用原则,会提高模型建立的有效性及工作效率。通用的建模原则如下:(1)结构对称性的利用;(2)删除细节,将构件或零件上的一些细节忽略而考虑整体特征;(3)减维,选取合适的单元类型23。 本课题所用钢件属于轴对称图形，根据对称性原理，计算模型只取1/2截面。利用模型扩展功能，可以得到材料的整体模型。如图3.2所示：图3.2 轴对称图3.5.2 网格划分 ANSYS中划分网格的方式主要有两种，分别为自由网格划分和映射网格划分16。自由划分的网格对单元的形状没有任何的限制，并且没有特定的准则。用这种方式划分的网格排列不规则，可以应用于所有具有不规则几何形状的模型或是需要网格过渡的区域。但是这种划分相对单的元数目较多，分析时间较长，精确度较低。映射网格划分对包含的单元形状有所限制，通常映射面网格只能包含四边形或三角形单元，映射体网格也只能包含六面体单元。用映射网格划分方式得到的网格具有规则的几何形状，而且它对载荷的施加和收敛的控制相当有用。因而,在实际应用中一般优先选用映射网格划分方式，当不能用映射网格划分时再考虑选用自由网格划分作为补充。在有限元分析中，网格划分的合适与否与计算结果的精度和计算的效率息息相关。网格划分得越细，计算精度就越高，所花费的计算时间就越长，反之，所花费的时间就越短。而且，网格的划分细到一定的程度，计算精度的变化会较小甚至不发生变化。本文采用映射网格划分方法，单元的大小设置为默认设置，划分网格后的有限元模型（如图3.3所示）：图3.3 网格划分图3.6 温度场分析 本课题施加的是对流换热载荷，设置的热分析类型是瞬态热分析，淬火时间点分别设置为4s、16s、30s，Minmum time step size设置为1s。由设定的求解条件可以得到淬火过程 30s内零件各部分的温度场分布, 4s、16s、30s时零件的温度场分布分别如图3.4、图3.5和图3.6所示。 图3.4 水淬4s时的温度分布图（单位：） 图3.5 水淬16s时的温度分布图（单位：）图3.6 水淬30s时的温度分布图（单位：）冷却过程中，不同时刻温度场分布如图3.4所示。在水冷4s时，零件边缘最低温度为705，靠近零件中间区域最高温度为782；如图3.5所示在水冷16s时，零件边缘最低温度为582，靠近零件中间区域最高温度为667；如图3.6所示在水冷30s时，零件边缘最低温度为473，靠近零件中间区域最高温度为543；3.7 水冷特殊位置随时间变化 执行Main Menu/TimeHist Postpro/Graph Variables，读取加载并求解后工件在某些特定位置的冷却曲线。下面图3.7、图3.8和图3.9分别为工件的A（圆柱体中心点）、B（上底面圆心点）、C（上底面圆周一点）三点随时间变化的曲线图： 图3.7 A点变化的曲线图图3.8 B点变化的曲线图图3.9 C点变化的曲线图 如图3.10所示可以看出，在水中随着时间的延长，零件温度也迅速降低，发现A、B、C三点随时间变化的差别幅度较小，并在淬火的后期300s之后冷却速率趋于平缓。 图3.10 水淬时A、B、C三点的冷却曲线3.8 模拟结果分析 选取4s 、16s、30s时，钢件的温度场分布如图3.4、图3.5和图3.6所示，在淬火4 s时表面温度下降，零件心部仍然保持一定的高温。仅用30s，钢件表面就从800高温降低到了475左右，心部降低到540左右。在任一时刻，零件心部的温度在整个钢件中都是最高的，并得到钢件的淬硬性增强，这完全符合实际情况。随着淬火时间的延长，钢件表面的温度持续下降，但是温度降低速率在下降，并且内部温度相应降低，降低速率比表面稍高。图3.7、图3.8和图3.9是在水淬时钢件上A、B、C三点温度随时间的变化曲线。由图示知，三点的温度均随着淬火时间的延长从而降低，只是降温的速度不同，其中A点降温最快，B点次之，C点最慢。4 结论和展望 4.1 课题研究得出结论 1、本文主要是对碳素工具钢T10钢在淬火过程进行瞬态热分析数值模拟研究。通过计算分析，得到每一瞬时和每一点的温度场分析，从而能够明显的反映出淬火过程的变化情况。2、在考虑T10钢的热物性参数、淬火介质换热系数后，用ANSYS软件模拟淬火温度场是可以的。在用ANSYS软件模拟淬火过程温度场分析时，通过淬火钢件表面网格划分及函数加载等步骤是可以提高模拟计算精度。3、在淬火冷却刚开始时，钢件表面的冷却速度远远大于心部，使钢件产生较大的瞬时应力，这是诱发应力突变的主要原因。并随着冷却时间的延长，钢件表面与心部的温差逐渐减小，温度分布趋于平缓，其数值模拟的结果符合生产实际。4、通过学习ANASY14.0懂得了： （1）四边形优先选用映射网格划分的方式。 （2）要根据所施加的载荷条件和所需要计算的响应来选择分析的类型。（3）通过计算、分析该软件模拟方法明显强于传统的人工测量和经验判断，该方法与有限元法相比较，具有计算简便等优点；与经验公式法相比，具有更加精确的模拟结果。 4.2 展望 本文运用ANSYS软件对T10钢淬火过程温度场分析进行了初步的研究，虽然取得了一定的成果，但还有许多工作有待深入研究，主要包括以下几个方面：（1）T10钢的热物性参数需要进一步改进。随着热物性参数测定，热物性参数的数据会越来越充分，不需要使用粗略的数据。（2）网格需要尽量细致划分。随着计算机性能的发展和使用计算机淬火越来越频繁，这是就必须尽可能的细分。致 谢本文字开题至截稿，从资料的收集到确定研究方向再到完成模拟撰写论文、论文定稿一直在太原工业学院完成，期间太原工业学院机械工程系娄菊红老师给予了很大的指导与帮助，使得本文顺利完成，娄老师在课题研究方向上的指导与课题研究过