基于ANSYS的重轨淬火温度场和应力场仿真分析毕业论文设计.doc

本科毕业论文 设计 本科毕业论文 设计 论文题目 基于论文题目 基于 ANSYS 的重轨淬火温度场和的重轨淬火温度场和 应应 力场仿真分析力场仿真分析 2 2 基于基于 ANSYS 的重轨淬火温度场和应力场仿真分析的重轨淬火温度场和应力场仿真分析 摘摘 要要 本文以规格为50kg m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 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖 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 聞創沟燴鐺險爱氇谴净 关键词关键词 重轨 淬火 温度场 应力场 重轨 淬火 温度场 应力场 ANSYS Simulation of quenching temperature field and stress field for heavy rail based on the ANSYS残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟 Abstract The specification of 50kg m heavy rail was taken as investigated subject in this paper In this model the equivalent thermal capacity method was used to deal with the influence of latent heat on 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 酽锕极額閉镇桧猪訣锥 During the process of calculating in numerical simulation inputted the convective heat transfer coefficient under different wind pressure received the corresponding result of temperature field and stress filed and analyzed the result This paper analyzed that calculated heating keeping warm force cooling and air cooling s temperature field and stress filed distribution in such different operating modes Get the best heating thermal insulation cooling natural air time and the result can be used to guide the quenching process design 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑 Key words Heavy rail Quenching Temperature field Stress filed ANSYS 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔 2 4 目目 录录 第一章 绪论 1厦礴恳蹒骈時盡继價骚 1 1 课题研究意义 1茕桢广鳓鯡选块网羈泪 1 2 影响重轨淬火技术的主要因素 2鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴 1 3 重轨淬火数值模拟的国内外研究现状 2籟丛妈羥为贍偾蛏练淨 1 4 研究内容 4預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴 第二章 重轨淬火温度场和应力场的理论基础 4渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦 2 1 重轨淬火温度场理论基础 5铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡 2 1 1 热传递方式 5擁締凤袜备訊顎轮烂蔷 2 1 2 重轨淬火时定解条件 5贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷 2 1 3 淬火时热传导初始条件 6坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚 2 1 4 重轨淬火的边界条件 6蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘 2 2 重轨淬火应力场理论基础 8買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄 2 2 1 热弹性和热塑性问题 8綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴 2 2 2 热弹塑性问题的求解 9驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦 2 3 组织场求解理论基础 9猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑 第三章 重轨温度场和应力场 ANSYS 仿真过程 10锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔 3 1 用 ANSYS 模拟分析重轨温度场和应力场的方法 10構氽頑黉碩饨荠龈话骛 3 2 用 ANSYS 模拟分析重轨温度场和应力场的步骤 10輒峄陽檉簖疖網儂號泶 3 2 1 建立重轨的三维模型 10尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅 3 2 2 确定重轨的各项材料参数及初始条件 11识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒 3 2 3 ANSYS 仿真重轨温度场和应力场的基本步骤 11凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴 第四章 重轨淬火过程的温度场和应力场分析 19恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦 4 1 研究不同压强下温度场和应力场的前提条件 19鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫 4 2 不同压强下喷风温度场对比分析 19硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹 4 3 不同压强下喷风应力场对比分析 22阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖 第五章 全文总结 24氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩 5 1 论文研究结论 24釷鹆資贏車贖孙滅獅赘 5 2 论文研究的不足及展望 25怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉 致 谢 26谚辞調担鈧谄动禪泻類 参考文献 27嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 课题研究意义课题研究意义 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 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库 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 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞 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 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛 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 颖 刍莖蛺饽亿顿裊赔泷 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 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻 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 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼 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 2 2 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 挤貼綬电麥结鈺贖哓 类 1 2 影响重轨淬火技术的主要因素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 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈 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60Kg m 75Kg m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 塤礙籟馐决穩賽釙冊庫 3 1 3 重轨淬火数值模拟的国内外研究现状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 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺 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 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁 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 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧 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 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙 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Hidenwall 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 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉 至20世经80年代初 已经编制了一批非稳态温度场的计算机程序 奥地利 的对淬火过程进行了热弹塑性分析 并对比了等向强化和随动强ferRammerstor 化 蠕变 相变塑性等对模拟结果的影响 结果发现相变塑性对应力影响较大 而蠕变影响较小可以忽略 日本的T Inoue对淬火和回火过程进行了持续 系 统的物理模拟研究和数值模拟研究 他们开发出的热处理数值模拟软件 HEARTS 可对中小型零件的水淬 渗碳淬火 感应淬火进行数值模拟 并得 到实际测试结果的验证 法国的Denis贝在马氏体淬火过程中的热力学分析和内 应力计算过程中全面考虑了相变塑性和内应力对马氏体转变动力学的影响 描 2 4 述了它们对残余应力的影响 并与实际测定的应力状态进行了对比 鎦诗涇艳损楼 紲鯗餳類 淬火过程的计算机模拟在我国发展较晚 20世纪80年代中期 上海重机厂 等单位开始采用有限差分法 对大型轧辊淬火过程温度场进行了计算 尽管从 数学模型 物性参数 换热系数等都进行了大量的简化 但是在计算结果的总 体趋势还是非常有意义的 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬 20世纪80年代末 清华大学等单位采用有限单元法对大型轧辊和电机转子 淬火过程的温度场 显微组织场及内应力场进行了模拟计算 并根据模拟计算 结果对工艺提出了有益的改进意见 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应 20世纪90年代以来 由于计算机处理能力的提高 温度场模拟计算中最难 处的非线性问题正在逐步被解决 MiChael J CIALKOWSI Ndrzej FRACKOWIAK N M AL Najem A M Osman M M EL Refaee K M Khanafe 6 等人通过法研究了二维稳态热传导逆问题Treffetz 的求解方法 他们提出有限元和函数 用最小二乘法 边界元法 7 等不同方 法估计了直角区域的表面温度 热流密度结果表明边界元法 BEM 是解决逆问 题的有效方法 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺 2009年 李公法 屈海端 杨金堂 尹强 龙华 张小亮等人利用有限元 分析软件对U71M n重轨轨头淬火过程中的应力场进行数值模拟 8 并对影响 其分布的各种因素进行研究 结果表明 准确选择淬火时加热 保温时间和风 冷时的压强 能显著降低轨头的淬火应力 对U71Mn重轨轨头热处理中相关参 数的选择具有重要的指导意义 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜 目前 对淬火试件内应力场的研究主要集中在淬火过程中试件的瞬态温度 相应 应力之间的耦合作用 其目的是能准确地反映出实际过程各场量的变化 较为准确地预测出淬火后试件内部组织 性能 应力和畸变 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷 1 4 研究内容研究内容 1 依据传热原理 建立重轨的三维模型 用有限元方法研究重轨轨头在 淬火过程中的温度场应力场分布 2 研究不同的压强以及淬火喷风时间对重轨温度场 应力场的影响 找 出最佳的淬火喷风压强 3 结合热模拟实验 为实际生产的正常运行提供理论依据 5 第二章第二章 重轨淬火温度场和应力场的理论基础重轨淬火温度场和应力场的理论基础 重轨淬火时 在重轨与淬火介质间不断换热的同时 重轨内存在温差和热 传导 重轨内的组织 温度及应力分布不断发生变化 因此 为了研究并模拟 重轨及重轨的淬火过程 就要研究重轨淬火时的热传导现象以及导热定解问题 分析重轨及材料的热物理性能参数 探索重轨淬火时导热问题的求解方法 胀鏝 彈奥秘孫戶孪钇賻 2 1 重轨淬火温度场理论基础重轨淬火温度场理论基础 2 1 1 热传递方式热传递方式 热传递方式 9 有热传导 热对流和热辐射三种 而本文研究的是不同压 强下的喷风冷却的温度场和应力场 主要用到热传导和热对流两种方式 所以 在下文中仅对这两种热传递方式做了简单介绍 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減 1 热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由 于温度梯度而引起的内能的交换 热传导遵循傅里叶定律 10 稟虛嬪赈维哜妝扩踴 粜 dx dT kq n 2 1 式 2 1 中 为热流密度 W m2 为导热系数 W m 负号表 n qk 示热量流向温度降低的方向 2 热对流 热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间 由于温差的存在引起的 热量的交换 热对流可以分为两类 自然对流和强制对流 热对流用牛顿冷却 方程来描述 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟 BS n TThq 2 2 式 2 2 中 为对流换热系数 为固体表面温度 为周围流体的温h S T B T 度 2 1 2 重轨淬火时定解条件重轨淬火时定解条件 根据能量守恒定律和傅里叶定律 可以建立热传导问题的控制方程 2 6 t T cQ z T k zy T k yx T k x Tzyx 2 3 式 2 3 中 为材料的密度 为材料的比热 分别为沿 T c x k y k z k x y z方向的热传导系数 Q x y z t 为物体内部的热强度 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠 谔應 热传导问题的控制方程描述了重轨内部发生导热现象时各点温度的变化规 律 方程对于内部各节点都是普遍适用的 但满足导热微分方程的解是无限多 的 微分方程的解即数学上所说的通解中必定包含有待定的积分常数 要使这 些待定常数唯一地确定下来 除了微分方程以外 还必须再附加若干对所求解 的特定导热问题的自身特点和外部环境等情况的限定或者补充说明 这些附加 的说明和限定条件即单值条件 数学上称为定解条件 对任何一个具体导热问 题完整的数学描述 除了经适当选择的坐标下的导热微分方程以外 还必须同 时给出相应的定解条件 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺 对一般的导热问题而言 单值性条件 11 定解条件 包括几何条件 物理 条件 初始条件 边界条件等四个方面的内容 几何条件是指参与导热过程的 重轨的几何尺度 形状 物理条件是指导热重轨的主要物理参数和物理特征 诸如有关的各项物性参数以及它们是否随温度变化 有没有内热源存在 是否 均匀分布等等 初始条件是指导热过程开始时刻重轨内的温度场 边界条件是 指导热重轨在其边界面上与外部环境之间在热交换方面的联系或相互作用 懨俠 劑鈍触乐鹇烬觶騮 因此 为了研究并模拟重轨热问题 就需要确定淬火工件的几何条件 重 轨热物性参数 淬火工件和淬火介质的初始温度分布 初始条件 淬火工件外 表面与淬火介质之间的热交换情况 边界条件 等定解条件 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘 2 1 3 淬火时热传导初始条件淬火时热传导初始条件 重轨淬火时的初始条件包括重轨淬火前的初始温度分布情况 温度场 和淬 火介质的初始温度均匀的 如锻件从室温装炉开始加热 或者加热到给定温度 长时间保温使工件内部均匀热透 此时一般认为重轨的初始温度场是完全均匀 一致的 即有呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚 2 4 00 TT t 初始温度场 12 也可以是不均匀的 但重轨各点温度值是已知的 此时莹谐 龌蕲賞组靄绉嚴减 7 00 zyxTT t 2 5 式 2 5 中 为已知温度函数 0 zyxT 2 1 4 重轨淬火的边界条件重轨淬火的边界条件 重轨淬火时的边界条件 13 是指淬火工件外表面与周围环境的热交换情况 对于非稳态导热 它常常是使导热过程得以发生和发展的外界驱动力 而对稳 念导热来说 它是影响重轨内温度分布状态的外部条件 常见的边界条件有以 下三类 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶 1 第一类边界条件 是指重轨边界条件边界上的温度或温度函数为已知 用公式表示为 zyxTTTT ss 或者 2 6 式 2 6 中 下标s为重轨的边界条件范围 为已知的重轨表面温度 为定 T 值 为已知重轨的表面温度函数 随时间 位置的变化而变化 zyxT 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬 2 第二类边界条件 是指重轨表面上热流密度为已知 规定热流密度 q 的方向等同于边界法线n的方向 其表达式为風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙 q 2 或者zyxtq n T q n T ss 7 式 2 7 中 为已知重轨表面的热流密度 为定值 q 2 mW 为己知重轨的热流密度函数 随位置 时间而变化 zyxtq 3 第三类边界条件 又称牛顿边界条件 是指重轨与其相接触的流体介 质间的热对流系数以和介质温度乃为已知 其表达式为灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹 2 cks TTH n T 8 为简化计算机编程 将上述三类边界条件统一为用第三类式子表达 当为 第一类边界时 取 为一极大值即可 c TT k H 当为第二类边界时 最常用的是绝热边界 即 此时取 00 s n T k H 即可 当为三类边界条件时 最常用的是对流系数和辐射混合的换热边界 其表 达式为 2 8 44 ccks TTTTH n T csck TTHTTH c TTH 2 9 式中 H 为总换热系数 sk HHH 为辐射换热系数 s H 22 ccs TTTTH 2 10 式中温度值要用绝对温度表示 为 Stefan Boltzmann 常数 为重轨表面的辐射率 10768 5 428 kmW 工程问题中越来越多地出现非线性的辐射边界或自然对流边界 即导热重 轨的表面与外界环境之间以辐射或者自然对流换热的方式相联系 例如在高压 气体淬火时 淬火介质是气态的 或在高真空环境中 边界上的辐射换热往往 成为主导因素 或至少与对流方式并重 即使在线性换热边界条件中 当已知 的温度 换热系数 热流密度等参数随着材料的物性参数 导热时间及材料中 温度场的变化而发生变化时 线性换热边界条件就变为非线性换热边界条件 以往的研究结果表明 重轨及淬火时的换热边界条件是非线性的 主要是由淬 火时相变的产生和淬火材料的物性参数随温度而变化等原因引起的 因此 要 对淬火过程进行精确地数值模拟 需要准确确定特定问题的换热边界条件 铹鸝 饷飾镡閌赀诨癱骝 2 2 重轨淬火应力场理论基础重轨淬火应力场理论基础 2 2 1 热弹性和热塑性问题热弹性和热塑性问题 对重轨淬火时 由于温度变化剧烈 不仅会引起弹性变形 还会一起塑性 变形 对重轨进行淬火处理的时候 引起应力的原因是温度分布不均 各节点 的膨胀量不同 属于热弹性和热塑性问题 14 14 材料进入塑性状态后而是物理 非线性的 为了便于有限元计算 须做线性化处理 一般处理弹塑性问题采取 如下的一些假设 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸 1 塑性变形不引起体积改变 即体积不变定律 9 0 321 ppp 2 11 式 2 11 中 分别表示三个主变形方向塑性应变分量 ppp321 根据体积不变定律 可导出塑性变形时的泊松系数为 0 5 2 重轨材料的屈服服从屈服准则 同时 还显示出各向同性强化 Mises 屈服准则为 当等效应力达到屈服极限时 材料开始屈服 即 趕輾雏纨颗Mises 锊讨跃满賺 s 2 12 式 2 12 中 为等效应力 为屈服极限 s 对于轴对称问题 为书写方便 用记四个 4321 zrr z 并写做 4321 2 13 表示应力向量 这时等效应力表达式为 3 2 1 2 4 2 13 2 32 2 21 2 14 3 应变强化规律 从单向拉伸试验结果可以看出 对于大多数重轨材料 屈服后卸载或部分卸载 然后再加载 其屈服应力就会增加 这就是应变强化 在复杂应力状态下 设新的屈服应力只与卸载前的等效塑性应变总量有关 即 只有当应力适合式时才会发生塑性变形 夹覡闾辁駁档驀迁锬減 0 p dH 2 15 4 塑性区的行为服从流动法则 基于等效强化强化屈服准则基础上Mises 流动法则 又称为塑性流动增量理论 其表达式为 视絀镘鸸鲚鐘脑ReussPrandtl 钧欖粝 2 16 p d 2 2 2 热弹塑性问题的求解热弹塑性问题的求解 由于重轨淬火过程中 最大变形量约在 2 3 左右 仍属于小变形范围 2 10 故在热弹塑性问题中的几何方程仍可沿用弹性问题的几何方程只是刚度矩阵 要以代替 具体表达式为 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠 ep D e D 变分方程 h RK 2 17 刚度矩阵 dVBDBK e ep eT 2 18 热载荷向量 2 dVDBR e Tep eT h 19 弹塑性矩阵当时的应力水平有关 故 2 17 式为非线性方程 求解时需线 性化处理 常用的方法有增量变刚度法 初应力法 初应变法等 緦徑铫膾龋轿级镗 挢廟 增量变刚度法的特点是将载荷分段逐步增加 增加一次载荷 就会产生应 力和应变增量和 只要增加载荷适当的小 则可近似认为在此计算步 内保持不变 则騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼 ep D 2 20 成线性关系 当然 这样计算会有偏差 通常采用迭代法来提高计算精度 这种解法 每加载一次或迭代一次 刚度矩阵都要根据应力水平重新计算一次 故称这种方法为增量变刚度法 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮 用增量变刚度法求解弹塑性问题时 不是在每一次加载后所有单元都处于 弹性或塑性状态 实际上可能是下列三种状态并存 镞锊过润启婭澗骆讕瀘 1 单元处于弹性状态 称为弹性单元 2 单元处于塑性状态 称为塑性单元 3 单元在加载前处于弹性状态 加载后处于塑性状态 称为过渡单元 对 于不同的单元 要作不同处理 2 3 组织场求解理论基础组织场求解理论基础 铁道部技术政策明确规定 凡50kg m及以上的重轨轨头要求全部淬火 淬火的过程就是奥氏体向珠光体转变的过程 使珠光体在较低的温度下转变 而得到强韧性和细片状珠光体 即索氏体 组织 不得出现马氏体 贝氏体有害 11 组织 因此在淬火应力模拟计算中仅考虑索氏体 细珠光体 的相变 在每一个 等温步长中 新相形成的体积百分数用等温相变动力学计算 珠光体和贝氏体 的等温相变体积百分比按所提出的公式 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛 MehlJohnson exp 1 k n kk tbV 2 30 V为k相的体积百分含量 仇为两个与温度有关的参数 它们可以从 k b k n 材料的等温相变图求得 k 1对应珠光体 k 2对应贝氏体 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑 第三章第三章 重轨温度场和应力场重轨温度场和应力场 ANSYS 仿真过程仿真过程 3 1 用用 ANSYS 模拟分析重轨温度场和应力场的方法模拟分析重轨温度场和应力场的方法 在整个模拟仿真过程中 可先用 Pro E 画出重轨的三维模型 再将重轨的 三维模型导入 ANSYS 软件中 利用 ANSYS 软件 以已知的初始条件和边界条 件 得到重轨的温度场仿真图 再运用热 结构耦合分析的方法 以温度作为求 解应力的初始条件对有限元模型进行加载求解 可得到重轨的应力场仿真结果 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲 3 2 用用 ANSYS 模拟分析重轨温度场和应力场的步骤模拟分析重轨温度场和应力场的步骤 3 2 1 建立重轨的三维模型建立重轨的三维模型 1 根据 GB T 68 1987 可查得国家标准规定的 50kg m 重轨外形尺寸 如 图 3 1 所示 2 12 图图 3 13 1 钢轨横截面图尺寸 钢轨横截面图尺寸 mm 2 用软件 Pro E 画出重轨的三维模型 如图 3 2 并以 IGES 格式保存文件 zhonggui 图图 3 2 重轨的三维模型图重轨的三维模型图 3 2 2 确定重轨的各项材料参数及初始条件确定重轨的各项材料参数及初始条件 1 查阅材料手册可得国家标准50kg m重轨密度为7800kg m3 线膨胀系数 1 18e 5 泊松比0 3 弹性模量220Gpa 其余的主要物性参数见表1 该栎谖碼戆沖 巋鳧薩锭 表表1 钢轨的物性参数钢轨的物性参数 T 100 200 300400500600700 800900 c J kg 1 1 478487505533579650772760623 K W m 1 1 40 2437 6835 0832 9430 8428 862626 1624 88 2 具体的重轨淬火过程喷风冷吹初始条件 重轨冷喷前 表面温度为 900 淬火冷空气的温度 5 10 冷气的对流系数 100W m2 劇妆诨貰攖苹埘 呂仑庙 13 3 2 3 ANSYSANSYS 仿真重轨温度场和应力场的基本步骤仿真重轨温度场和应力场的基本步骤 1 设置环境 设置工作目录 设置文件名 设置工作标题 设定分析模块 1 设置工作目录 在通用菜单中选择 File Change Directory 命 令 弹出 Change Directory 对话框 选择自己的工作目录 单击 OK 按钮 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄 2 设置文件名 在通用菜单中选择 File Change Jobname 命令 弹出 Change Jobname 对话框 输入文件名 1 1 如图 3 3 单击 OK 按 钮 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞 3 设置工作标题 在通用菜单中选择 File Change Title 命令 弹出 Change Title 对话框 输入文件名 zhonggui 如图 3 4 单击 OK 按钮 穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺 4 设定分析模块 本文做的是对重轨的结构分析和热分析 所以只需要 选择结构分析和热分析模块 在主菜单中选择 Preferences 命令 弹出设定 分析模块对话框 勾选 Structural 和 Thermal 复选框 如图 3 5 然后单 击 OK 按钮完成分析模块的选择 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽 图图 3 3 设置文件名设置文件名 图图 3 4 设置工作标题设置工作标题 2 14 图图 3 5 设定分析模块设定分析模块 2 选择单元类型 在主菜单中选择 Element Type Add Edit Delete 选择单元类型 SOLID90 如图 3 6 所示 浹繢腻叢着駕骠構砀湊 图图 3 6 选择单元类型选择单元类型 3 定义材料属性 定义材料的比热容为 623J kg 导热系数为 25W m 密度为 7800kg m3 在主菜单中选择 Preprocessor Material Props Material Model 命令 弹出材料属性定义对话框 选择 Thermal 选项 分别双击 Conductivity Specific Heat 和 Density 输入比热容 导热系数和密度 15 值 最后结果如图 3 7 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝 图图 3 7 定义材料属性定义材料属性 4 导入模型 在通用菜单中选择 File Import IGES 命令 弹出选择文件的对 话 选择 IGES 格式的文件 然后单击 OK 按钮 导入重轨的三维模型 如图 3 8 惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵 图图 3 8 导入的模型导入的模型 5 划分网格 在主菜单中选择 Preprocessor Meshing Mesh Tool 命令 弹出 网格划分选择的对话框 如图 3 9 勾选各项 然后单击 OK 按钮 得到重轨 2 16 的有限元模型 如图 3 10 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐 图图 3 9 划分网格划分网格 图图 3 10 网格图网格图 6 施加边界条件 1 设置分析类型 在主菜单中选择 Solution Analysis Type New Analysis 命令 在弹出的新分析对话框中选择分析类型为 单击 OK 按钮 在弹出的瞬态分析对话框中选中 Full 单选键 单击 OK 按钮 完成分 析类型的选择 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲 2 设置重轨的初始温度 在主菜单中选择 Solution Define Loads Apply Initial Condit n Define 命令 在弹出的节点拾取对 话框中 单击 Pick All 按钮后会立即弹出初始条件定义对话框 选择自由度为 TEMP 并设置初始温度为 900 如图 3 11 所示 单击 OK 按钮 完成初始 温度的设置 薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫 3 为重轨施加外界条件 在主菜单中选择 Solution Define Loads Apply Thermal Convection On Areas 命令 弹出节 点拾取对话框 选中重轨表面节点 单击拾取对话框的 OK 按钮 此时弹出对流 边界条件设置对话框 在其中 Film coefficient 一栏输入 100 表明对流传热系 数为 100 在 Bulk temperature 一栏输入 5 表明边界温度为 5 摄氏度 如图 3 12 单击 OK 按钮 对流边界条件施加于重轨表面齡践砚语蜗铸转絹攤濼 17 图图 3 11 重轨的初始温度重轨的初始温度 图图 3 12 施加外界条件施加外界条件 7 热分析求解 1 设置时间和载荷步 在主菜单中选择 Solution Load Step Opts Time Frequenc Time Time Setup 命令 弹出时间设置对话框 在 Time 一栏中输入本分析的最终时间 60 在时间步长一栏中输入步长时间 5 在加载方式单选按钮中选中 Stepped 单选按钮 如图 3 13 所示 单击 OK 按 钮 完成时间和载荷步的设置 绅薮疮颧訝标販繯轅赛 2 设置结果输出项 在主菜单中选择 Solution Load Step Opts Output Ctrls DB Results File 命令 弹出结果输出对话框 在 Item 下拉 列表中选择 All Item 表明输出所有计算结果 同时在 FREQ 栏中选中 Every Substep 单击 OK 按钮 完成结果输出控制的设置 饪箩狞屬诺釙诬苧径凛 2 18 图图 3 13 时间和载荷步时间和载荷步 3 在主菜单中选择 Solution Solve Current LS 命令 弹出求 解确认对话框 单击 OK 按钮 求解开始 求解完毕后会弹出提示对话框 单 击提示对话框中的 OK 按钮 则求解结束 烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵 8 查看温度场分布 在主菜单中选择 General Postproc Read Results By Pick 在弹 出的 Results File 对话框 选择时间为 30 的一项 再单击 Read 按钮 在主菜单 中选择 General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solution 命令 在弹出的 Contour Nodal Solution Data 对话框中 选择 DOF Solution Nodal Temperature 单击 OK 则得到第 30s 时重轨温度场分布图 如图 3 14 鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键 19 图图 3 14 重轨温度场分布图重轨温度场分布图 9 单元转换 添加材料模型 1 将热单元转换为结构单元 在主菜单中选择 Preferences 命令 弹出设定分析模块对话框 勾选 Structural 复选框 单击 OK 按钮 在主 菜单中选择 Preferences Element Type Switch Elem Type 命令 弹 出单元转换对话框 在下拉菜单中选择 Thermal to Struc 选项 如图 3 15 单击 OK 按钮 完成热单元到结构单元转换 撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞 图图 3 15 单元转换单元转换 2 为结构分析材料属性 线膨胀系数 1 18e 5 泊松比 0 3 弹性模量 220Gpa 在主菜单中选择 Preprocessor Material Props Material Model 命令 选择 Structural 选项 选择 Linear Elastic Isotropic 如图 3 16 所示输入弹性模量和泊松比 再选择 Thermal Expansion Secant coefficient 踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄 Isotropic 如图 3 17 所示输入线膨胀系数 2 20 图图 3 16 弹性模量和泊松比弹性模量和泊松比 图图 3 17 线膨胀系数线膨胀系数 10 施加热载荷 1 在通用菜单中选择 Select Everything 命令 选取所有元素 2 施加温度载荷 在主菜单中选择 Solution Define Loads Apply Structural Temperature From Therm Analy 命令 系统 将弹出 Apply TEMP From Thermal Analysis 对话框 单击 Browse 按钮 弹出文件选择窗口 在工作目录中选择 1 1 rth 文件 完成选择后单击 OK 按钮 婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞 11 求解 结构分析 在主菜单中选择 Solution Solve Current LS 命令 弹出求解确 认对话框 单击 OK 按钮 求解开始 求解完毕后会弹出提示对话框 单击提 示对话框中的 OK 按钮 则求解结束 譽諶掺铒锭试监鄺儕泻 12 查看应力场分布 在主菜单中选择 General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solution 命令 在弹出的 Contour Nodal Solution Data 对话框中 选择 Nodal Solution Stress von Mises stress 如图 3 18 所示 单击 OK 则得到重轨应力场分布图 如图 3 18 俦聹执償閏号燴鈿膽賾 21 图图 3 18 重轨应力场分布图重轨应力场分布图 第四章第四章 重轨淬火过程的温度场和应力场分析重轨淬火过程的温度场和应力场分析 4 1 研究不同压强下温度场和应力场的前提条件研究不同压强下温度场和应力场的前提条件 重轨的表面换热系数决定重轨在冷淬过程中温度的变化 图 4 1 和 4 2 分 别是重轨在 0 4 M pa 0 8 M pa 冷气的条件下表面对流换热系数随重轨表面温 度的变化情况 由此 可利用 ANSYS 软件模拟重轨在 0 4Mpa 0 8 Mpa 冷气 的条件下的温度场和应力场情况 通过比较分析 出最佳的冷喷压强 缜電怅淺靓 蠐浅錒鵬凜 2 22 图图4 1 0 4Mpa时表面对流换热系数时表面对流换热系数 图图4 2 0 8Mpa时表面对流换热系数时表面对流换热系数 4 2 不同压强下喷风温度场对比分析不同压强下喷风温度场对比分析 1 0 4Mpa喷风压力下的温度场分布 23 图图4 3 0 4Mpa气体淬火时气体淬火时t 30s的温度场的温度场 图图4 4 0 4Mpa气体淬火时气体淬火时t 45s的温度场的温度场 图图4 5 0 4Mpa气体淬火时气体淬火时t 60s的温度场的温度场 2 24 2 0 8Mpa喷风压力下的温度场分布 图图4 6 0 8Mpa气体淬火时气体淬火时t 30s的温度场的温度场 图图4 7 0 8Mpa气体淬火时气体淬火时t 45s的温度场的温度场 图图4 8 0 8Mpa气体淬火时气体淬火时t 60s的温度场的温度场 25 从上面的这些ANSYS通用后处理器得到的结果图 4 3到4 8 可以得 到0 4Mpa时重轨在t 30s t 45s和t 60s的最小温度分别是874Mpa 862Mpa和 851Mpa 0 8Mpa时 分别是887Mpa 881Mpa和875 Mpa 可以看出0 4Mpa气体 冷却能力比0 8Mpa的强 在同样加热 保温 冷却时间相同条件下 前者温度 下降的快 骥擯帜褸饜兗椏長绛粤 4 3 不同压强下喷风应力场对比分析不同压强下喷风应力场对比分析 1 0 4Mpa喷风压力下的温度场分布 图图4 9 0 4Mpa气体淬火时气体淬火时t 30s的应力场的应力场 图图4 10 0 4Mpa气体淬火时气体淬火时t 45s的应力场的应力场 2 26 图图4 11 0 4Mpa气体淬火时气体淬火时t 60s的应力场的应力场 2 0 8Mpa喷风压力下的温度场分布 图图4 12 0 8Mpa气体淬火时气体淬火时t 30s的应力场的应力场 图图4 13 0 8Mpa气体淬火时气体淬火时t 45s的应力场的应力场 27 图图4 14 0 8Mpa气体淬火时气体淬火时t 60s的应力场的应力场 由图4 9到4 14可以得到0 4Mpa时重