曲轴表面强化工艺仿真北理工廖日东

曲轴表面强化工艺仿真研究

NumericalSimulationoftheCrankshaftSurfaceStrengthening廖日东LiaoRi-dong北京理工大学动力系统工程研究所ResearchCenterofPowerMachinery,BeijingInstitute

ofTechnology曲轴及其常见的失效形式

CrankshaftandCommonFailureForms轴颈异常磨损AbnormalWearofCrankshaftNeck扭转疲劳断裂TorsionalFatigueFracture弯曲疲劳断裂BendingFatigueFracture2常见的曲轴表面强化工艺

CommonCrankshaftSurfaceStrengtheningMethods感应淬火InductionQuenching圆角滚压FilletRolling气体渗氮GasNitriding34不考虑强化的曲轴强度计算

CrankshaftStrengthCalculationwithoutconsideringSurfaceStrengthening

5不考虑强化的曲轴强度计算

CrankshaftStrengthCalculationwithoutconsideringSurfaceStrengthening

表面强化工艺仿真研究

StudiesonSurfaceStrengtheningSimulations从工艺参数设计出发，预测工件的弹塑性力学性能、断裂韧性和疲劳寿命等宏观力学量，也就是说是实现强化工艺的预测设计。涉及材料学、工艺学、热力学、固体物理、电磁学、弹塑性力学、断裂力学、流体力学等。6圆角滚压数值分析

NumericalAnalysisonFilletRolling78圆角滚压数值分析

NumericalAnalysisonFilletRolling圆角滚压数值分析

NumericalAnalysisonFilletRolling9感应加热淬火仿真研究感应加热过程仿真强化效果分析与验证淬火冷却过程仿真工艺设计仿真分析试验验证感应器结构电工学参数冷却液参数冷却时间强化要求工件热物性：电磁性能导/换热性能力学性能电磁场分析温度场分析相变分析应力/位移场分析表面硬度测量淬裂缺陷检测形位误差检测金相组织分析疲劳强度试验残余应力测量材料性能分析相变应力/塑性，与组织相关的力学性质应力/应变诱导相变热应变/热机械性能热物性热驱动力相变潜热热物性与相体积相关的电磁性质塑性功生热感应涡流生热热流场分析温度场分析相变分析应力/位移场分析热应变/热机械性能热物性热驱动力相变潜热热物性塑性功生热沸腾/传导换热相变应力/塑性，与组织相关的力学性质应力/应变诱导相变10SimulationofInductionHeatingQuenching感应加热淬火仿真研究SimulationofInductionHeatingQuenching11感应加加热淬淬火数数值分分析NumericalAnalysisonInductionHeatingQuenching12感应加加热淬淬火数数值分分析NumericalAnalysisonInductionHeatingQuenching13感应加加热淬淬火数数值分分析NumericalAnalysisonInductionHeatingQuenching14感应加加热淬淬火数数值分分析NumericalAnalysisonInductionHeatingQuenching1542CrMo临界冷冷却速速度感应加加热淬淬火数数值分分析NumericalAnalysisonInductionHeatingQuenching16典型位位置各各相淬淬火后后硬度度典型位位置淬淬火后后硬度度感应淬淬火仿真研究SimulationofInductionHeatingQuenching材料的的热物物性不不可靠靠；没有考考虑加加热和和冷却却速率率（热热流密密度变变化率率）的的影响响；在线的的测量量和验验证很很困难难，工工艺的的预测测设计计还没没有实实现。。17感应加加热淬淬火仿真研究SimulationofInductionHeatingQuenching18感应加加热淬淬火仿仿真研研究SimulationofInductionHeatingQuenching含瞬变变热源源的强强瞬态态热传传导方方程的的求解解；电磁感应淬火火过程中“热波”的传播机制；；非Fourier效应对电磁感感应淬火中多多场耦合动力力学响应的影影响。电磁感应淬火火过程的瞬态热传导的非Fourier效应研究电磁感应淬火火过程中材料相变的非Fourier效应研究电磁感应淬火火过程应力和变形的非Fourier效应研究电磁感应淬火火过程仿真结果试验验验证研究19含与不含空气气区的电磁感感应加热生热热率解析解AnalyticalSolutionsoftheHeatGenerationRateoftheElectromagneticInductionHeating20感应加热热淬火仿真研究SimulationofInductionHeatingQuenching温度场控控制方程程基于CV模型格林函数数21感应加热热淬火瞬瞬态传热热非Fourier效应Non-fourierEffectsonTemperatureFieldofInductionHeatingQuenching脉冲宽度不同时

热流量不变内热源形式脉冲宽度不同时

不同位置处温度随时间的变化22随着脉冲冲宽度的的增加,温度波的的幅值减减小,波动减弱弱。说明热流传播播的波动动性只在在热作用用时间短短到与材材料热弛弛豫时间间相当或或更短的的尺度才才对传热热过程起起主导作作用。感应加热热淬火瞬瞬态传热热非Fourier效应Non-FourierEffectsonTemperatureFieldofInductionHeatingQuenching气体渗碳碳仿真研研究SimulationofGasCarburizing碳的扩散散过程CarbonDiffusionProcess(Fick第二定律律)：(Fich’sSecondLaw)工件加热热过程WorkpieceHeatingProcess(瞬态热传传导方程程)：(TransientHeatConductionEquation)23总结与展展望SummariesandProspects从Maxwell基本方程程出发，，推导了了一维电电磁感应应加热过过程生热热率。基于电磁磁感应加加热淬火火过程由由电磁感感应产生生的指数数型内热热源，简简化为线线性内热热源，得得到其非非傅里叶叶导热温温度场。。建立了电电磁感应应加热有有限元模模型，利利用梅尼尼尔模型型，预测测了水淬淬后的淬淬硬层和和硬度。。水淬后后的硬度度满足设设计要求求，但是是硬度高高于设计计值，需需要采用用比水冷冷却性能能弱的淬淬火液。。24对于考虑虑材料非非线性下下，其内内热源形形式，得得到相应应的非Fourier效应的温温度场。。对于电磁磁感应加加热淬火火热传导导的非Fourier效应，可可以进一一步研究究球体下下的温度度场分布布。研究不同同非Fourier热传导数数学模型型对温度度场结果果的影响响。研究电磁磁感应加加热淬火火过程中中的非Fourier效应25总结与展展望SummariesandProspects气体渗碳碳仿真研研究SimulationofGasCarburizing渗碳问题题有限元元计算收收敛性分分析由于渗碳碳层很薄薄，所以以工件表表层的网网格一般般需要加加密处理理,但是工件件表层的的网格需需要加密密到什么么程度才才能满足足精度要要求？大型工件件碳浓度度场模拟拟简化计计算现有文献献都是针针对非常常简单的的结构进进行碳浓浓度场的的模拟，，如何比比较简单单的模拟拟大型工工件的碳碳浓度场场仍是一一项尚待待解决的的问题。。温度空间间分布对对碳浓度度场的影影响为了准确确模拟碳碳浓度场场，也为为了对渗渗碳炉内内工件的的布置进进行指导导，考虑虑温度场场空间分分布对碳碳浓度场场的影响响是十分分必要的的。26渗碳问题题有限元元计算收收敛性分分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModel1.一维渗碳碳问题Laplace变换法C/%h/mm理论计算算的缺点点：1.只能求解解一维问问题2.对渗碳时时间有限限制理论求解解：低碳钢初初始碳浓浓度一般般为0.2%左右，经经过渗碳碳，工件件表层碳碳含量发发生变化化，本文文将工件件表面至至碳浓度度变化量量为0.01%（初始碳碳浓度的的5%）处定义义为渗碳影响响区域，该区域域深度定定义为DH。t/s100015002000250030003500400045005000DH/mm0.490.610.710.790.870.941.011.071.13不同时间间对应的的DH值DH值估算式式27渗碳问题题有限元元计算收收敛性分分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModel数值模拟拟：表征渗碳碳区域内内节点碳碳浓度精精确度网格尺寸/mm0.10.20.30.40.5ζ1000s0.0060.0090.0170.0280.0251500s0.0040.0070.0120.0210.0282000s0.0030.0060.0100.0180.0262500s0.0030.0050.0080.0150.0193000s0.0020.0040.0070.0130.0173500s0.0020.0040.0070.0120.0154000s0.0020.0030.0060.0110.0134500s0.0020.0030.0060.0100.0125000s0.0020.0030.0050.0090.011一维渗碳碳不同渗渗碳时间间及网格格尺寸条条件下的的ζ值t/sζζ网格大小/mm网格尺寸寸对节点点碳浓度度的影响响28渗碳问题题有限元元计算收收敛性分分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModelt/sDh(理论计算)/mmDh(模拟计算)/mm0.10.20.30.40.510000.300.300.350.380.390.4715000.370.380.390.460.470.4820000.430.430.460.510.560.5125000.480.490.520.540.610.6130000.530.530.550.570.650.6835000.570.580.590.600.690.7340000.610.610.630.650.710.7745000.650.660.670.700.740.8050000.690.690.710.740.760.83一维渗碳碳Dh的理论值值与模拟拟计算结结果Dh/mmt/s网格尺寸寸对渗碳碳层深度度的影响响渗碳层深深度Dh定义为碳碳浓度为为0.3%处的深度度虚线表示示Dh值与理论论值相差差0.1mm为得到较较为精确确的节点点碳浓度度值，网网格尺寸寸只需小小于Dh/329渗碳问题题有限元元计算收收敛性分分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModel数值模拟拟：以0.1mm网格计算算结果为为标准二维渗碳碳不同渗渗碳时间间及网格格尺寸条条件下的的ζ值网格尺寸寸对节点点碳浓度度的影响响2.二维尖角渗渗碳网格尺寸/mm0.20.30.40.50.6ζ'2h0.0020.0070.0110.0130.0113h0.0020.0050.0090.0130.0164h0.0010.0030.0070.0110.0155h0.0010.0030.0050.0090.0136h0.0010.0020.0050.0070.0117h0.0010.0020.0040.0060.0098h0.0010.0020.0030.0050.008ζ't/hζ'网格尺寸/mm30渗碳问题题有限元元计算收收敛性分分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModel网格尺寸寸对渗碳碳层深度度的影响响虚线表示示Dh值与0.1mm网格计算算值相差差0.1mm网格尺寸/mm0.10.20.30.40.50.6Dh/mm2h1.681.691.751.801.821.87

3h2.052.072.102.142.212.25

4h2.362.382.402.452.432.58

5h2.642.652.692.692.772.80

6h2.892.902.912.973.022.96

7h3.123.143.163.183.203.27

8h3.343.353.373.383.413.50

二维渗碳碳不同计计算条件件下的Dh值Dh/mmt/h为得到较较为精确确的节点点碳浓度度值，网网格尺寸寸只需小小于Dh/431数值模拟拟：仍以0.1mm网格计算算结果为为标准三维渗碳碳不同渗渗碳时间间及网格格尺寸条条件下的的ζ值网格尺寸寸对节点点碳浓度度的影响响3.三维尖角渗渗碳网格尺寸/mm0.20.30.40.50.6ζ'2h0.0030.0080.0140.0180.0163h0.0020.0050.0100.0160.0214h0.0020.0040.0080.0120.0185h0.0010.0030.0060.0100.0156h0.0010.0030.0050.0090.0127h0.0010.0030.0050.0070.0118h0.0010.0020.0040.0070.009ζ't/hζ't/h32渗碳问题题有限元元计算收收敛性分分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModel渗碳问题题有限元元计算收收敛性分分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModel网格尺寸寸对渗碳碳层深度度的影响响虚线表示示Dh值与0.1mm网格计算算值相差差0.1mm三维渗碳碳不同计计算条件件下的Dh值网格尺寸/mm0.10.20.30.40.50.6Dh

/mm2h1.941.982.012.042.182.123h2.372.382.442.512.512.674h2.722.742.792.792.902.955h3.043.063.083.163.213.196h3.323.353.383.403.423.567h3.593.613.623.683.733.818h3.833.853.893.933.984.00Dh/mmt/h为得到较较为精确确的节点点碳浓度度值，网网格尺寸寸只需小小于Dh/533大型工件件碳浓度度场模拟拟简化计计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkPieceCarbonConcentrationField大型工件件结构特征征1结构特征征2一维渗碳碳…对于大型型工件渗渗碳模拟拟，在计计算碳浓浓度场、、金相组组织场以以及表面面硬度时时，可以以将大型型工件拆拆分成多多个结构构特征分分别进行行计算341.平面尖角角渗碳ABFCEDC/%h/mm在远离尖尖角部位位碳浓度度分布呈呈现一维维特性/°608090100120140Lc/mm4.242.922.452.111.661.30平面外尖尖角不同同尖角角角度对应的Lc值平面外尖尖角Lc/mm/°L定义为EF上某点到到F点的距离离35大型工件件碳浓度度场模拟拟简化计计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationFieldC/%h/mm/°608090100120140Lc/mm1.061.021.000.980.940.84平面内尖尖角不同同尖角角角度对应应的Lc值平面内尖尖角1.平面尖角角渗碳ABFCED在远离尖尖角部位位碳浓度度分布呈呈现一维维特性Lc/mm/°L定义为CD上某点到到点的距距离36大型工件件碳浓度度场模拟拟简化计计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField平面外圆圆角2.平面圆角角渗碳ABDECF2F1FC/%h/mm与平面外外尖角相相比，倒倒圆结构构有利于于碳浓度度分布更更加均匀匀L定义义为为EF1上某某点点到到F点的的距距离离37大型型工工件件碳碳浓浓度度场场模模拟拟简简化化计计算算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField/°r/mm1234604.244.395.737.24802.933.164.075.14902.462.753.504.351002.142.453.003.691201.701.872.242.631401.311.391.561.79平面面外外圆圆角角2.平面面圆圆角角渗渗碳碳平面面外外圆圆角角不不同同尖尖角角角角度度及及倒倒圆圆半半径径对对应应的的Lc值Lc/mmr/mmLc/mm/°38大型型工工件件碳碳浓浓度度场场模模拟拟简简化化计计算算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField平面内圆角2.平面圆角渗碳碳与平面内尖角角相比，倒圆圆结构有利于于碳浓度分布布更加均匀BACC1C2DEFC/%h/mmL定义为C1B上某点到点的的距离39大型工件碳浓浓度场模拟简简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField平面内圆角2.平面圆角渗碳碳平面内圆角不不同尖角角度度及倒圆半径径对应的Lc值/°r/mm1234602.323.875.517.18801.812.783.874.98901.612.403.294.201001.442.122.793.541201.171.562.052.481400.951.131.351.64Lc/mmr/mmLc/mm/°40大型工件碳浓浓度场模拟简简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField3.轴对称尖角渗渗碳ABFCED轴对称外凸尖尖角L定义为EF上某点到F点的距离C/%h/mm轴对称尖角结结构截面图与与平面尖角结结构相同，对对称轴位于EF线下方Rcm处41大型工件碳浓浓度场模拟简简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField3.轴对称尖角渗渗碳轴对称外凸尖尖角/°R/cm12345604.304.284.274.264.26802.942.932.932.932.93902.452.452.452.452.451002.112.112.112.112.111201.661.661.661.661.671401.291.291.291.291.29轴对称外凸尖尖角不同尖角角角度及工件件内径对应的的Lc值Lc/mmR/cmLc/mm/°42大型工件碳浓浓度场模拟简简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField3.轴对称尖角渗渗碳轴对称内凹尖尖角L定义为CD上某点到C点的距离C/%h/mm/°R/cm12345601.071.071.061.061.06801.041.031.031.031.03901.021.011.011.011.011001.000.990.990.990.991200.950.940.940.940.941400.850.850.850.840.84轴对称内凹尖尖角不同尖角角角度及工件件内径对应的的Lc值Lc/mmR/cmLc/mmθ/°43大型工件碳浓浓度场模拟简简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField3.轴对称圆角渗渗碳轴对称外凸圆圆角L定义为EF上某点到F点的距离轴对称外凸圆圆角结构截面面图与平面外外圆角结构相相同，对称轴轴位于EF线下方Rcm处ABDECF2F1FC/%h/mm44大型工件碳浓浓度场模拟简简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField3.轴对称圆角渗渗碳轴对称外凸圆圆角轴对称外凸圆角不同角度及及工件内径对对应的Lc值/°r/mm1234604.264.405.677.23802.943.144.035.07902.462.753.474.301002.142.422.983.651201.701.872.192.6411401.311.391.541.75Lc/mmr/mmLc/mmθ/°45大型工件碳浓浓度场模拟简简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField3.轴对称圆角渗渗碳轴对称内凹圆圆角L定义为CD上某点到C点的距离轴对称内凹圆圆角结构截面面图与平面内内圆角结构相相同，对称轴轴位于EF线下方Rcm处BACC1C2DEFC/%h/mm46大型工件碳浓浓度场模拟简简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField3.轴对称圆角渗渗碳轴对称内凹圆圆角轴对称内凹圆角不同角度及及工件内径对对应的Lc值/°r/mm1234602.323.855.447.07801.792.773.824.91901.592.383.254.141001.432.062.763.501201.161.541.982.451400.941.111.351.60Lc/mmr/mmLc/mm/°47大型工件碳浓浓度场模拟简简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField4.三维尖角渗碳碳在远离尖角部部位碳浓度分分布呈现一维维特性三维尖角不同同渗碳时间对对应的Lc值及DH值平面外尖角bac×Lt/h2345678Lc/mm1.691.992.272.512.722.923.11DH/mm1.371.681.942.172.382.572.74L/mmt/hL/mmt0.5/h0.5L值定义示意图图48大型工件碳浓浓度场模拟简简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField1.均匀温度场温温度值对碳浓浓度场的影响响ΔC/%ΔT/℃yx问题对碳扩散散的影响主要要体现在扩散散系数上C/%x/mm49温度空间分布布对碳浓度场场的影响EffectsofTemperatureDistributionsonCarbonConcentrationField温度空间分布布对碳浓度场场的影响EffectsofTemperatureDistributionsonCarbonConcentrationField2.沿渗碳方向温温度线性分布布T/℃x/mm渗碳表面保持持940℃，温度沿渗碳碳方向线性降降低ΔC/%-dT/dx(℃/mm)温度分布ΔC/%x/mm最大碳浓度差差值分布图将不同温度分分布条件下的的碳浓度分布布与940℃均匀温度场条条件下的碳浓浓度分布进行行比较503.沿渗碳方向温温度抛物线形形分布T/℃x/mm沿x方向温度分布布呈x的一元二次函函数形式：温度分布将不同温度分分布条件下的的碳浓度分布布与940℃均匀温度场条条件下的碳浓浓度分布进行行比较ΔC/%x/mmΔC/%a51温度空间分布布对碳浓度场场的影响EffectsofTemperatureDistributionsonCarbonConcentrationField4.垂直于渗碳方方向温度线性性分布T/℃y/mmΔC/%dT/dy(℃/mm)5.垂直于渗碳方方向温度抛物物线形分布T/℃y/mmΔC/%a52温度空间分布布对碳浓度场场的影响EffectsofTemperatureDistributionsonCarbonConcentrationField总结与展望SummariesandProspects针对气体渗碳碳数值模拟过过程进行收敛敛性分析，得得到了有限元元模型网格尺尺寸确定方法法。计算了某些典典型结构特征征对碳浓度场场影响区域的的大小，给出出了尖角结构构渗碳建模时时模型大小的的估算方法，，并且分析了了倒圆对尖角角部位碳浓度度场的影响规规律。利用Matlab脚本编写程序序，开发出了了考虑温度分分布情况下扩扩散方程的求求解算法，在在此基础上讨讨论了渗碳层层温度高低及及温度分布对对碳浓度场的的影响，结果果