基于ANSYS的重轨淬火温度场和应力场仿真分析毕业论文.docx
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基于ANSYS的重轨淬火温度场和应力场仿真分析毕业论文
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本科毕业论文（设计）
论文题目：
基于ANSYS的重轨淬火温度场和应力场仿真分析
基于ANSYS的重轨淬火温度场和应力场仿真分析
摘要
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。
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。
关键词：
重轨，淬火，温度场，应力场，ANSYS
SimulationofquenchingtemperaturefieldandstressfieldforheavyrailbasedontheANSYS
Abstract
Thespecificationof50kg／m—heavyrailwastakenasinvestigatedsubjectinthispaper．Inthismodel．theequivalentthermalcapacitymethodwasusedtodealwiththeinfluenceoflatentheatontemperaturefiledandthetransformationstresswhichresultedfromphasetransformationwastakenintoaccountusingtheequivalentlinearexpansioncoefficientmethod．Theimpactofmaterial’snon-1inearparameterontemperaturefieldwasconsidered．Theresultsshowthatthesimulationresultisidenticalwiththemeasuringtemperature．Accordingtothedistributionoftemperaturefield，thetimeofcompressedairshouldbecontrolled．Theidealsorbitecanbegained．
Duringtheprocessofcalculatinginnumericalsimulation，inputtedtheconvectiveheattransfercoefficientunderdifferentwindpressurereceivedthecorrespondingresultoftemperaturefieldandstressfiled，andanalyzedtheresult．Thispaperanalyzedthatcalculatedheating，keepingwarm，forcecoolingandaircooling’stemperaturefieldandstressfileddistributioninsuchdifferentoperatingmodes．Getthebestheating,thermalinsulation,cooling,naturalairtimeandtheresultcanbeusedtoguidethequenchingprocessdesign．
Keywords：
Heavyrail，Quenching，Temperaturefield，Stressfiled，ANSYS
第一章绪论
1.1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。
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.
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。
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。
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。
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】。
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。
1.2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。
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。
1.3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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
MiChaelJ．CIALKOWSI、NdrzejFRACKOWIAK、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。
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U71Mn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。
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。
1.4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。
第二章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。
2.1重轨淬火温度场理论基础
2.1.1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：
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】：
（2.1）
式（2.1）中，为热流密度（W/m2）；为导热系数（W/m℃）；负号表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：
（2.2）
式（2.2）中，为对流换热系数；为固体表面温度；为周围流体的温度。
2.1.2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：
（2.3）
式（2.3）中，为材料的密度；为材料的比热；、、分别为沿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。
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。
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。
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。
2.1.3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
（2.4）
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
（2.5）
式（2.5）中，为已知温度函数。
2.1.4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：
（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：
（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,为定值（℃）；为已知重轨的表面温度函数，随时间、位置的变化而变化。
（2）第二类边界条件，是指重轨表面上热流密度为已知，规定热流密度的方向等同于边界法线n的方向，其表达式为
（2.7）
式（2.7）中，为已知重轨表面的热流密度，为定值（）；为己知重轨的热流密度函数，随位置、时间而变化。
（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
（2.8）
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。
当为第二类边界时，最常用的是绝热边界，即，此时取=0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
=
=（2.9）
式中，H为总换热系数：
为辐射换热系数：
（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。
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。
2.2重轨淬火应力场理论基础
2.2.1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】。
。
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：
1）塑性变形不引起体积改变，即体积不变定律：
（2.11）
式（2．11）中，分别表示三个主变形方向塑性应变分量。
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。
屈服准则为：
当等效应力达到屈服极限时，材料开始屈服。
即：
（2.12）
式（2.12）中，为等效应力，为屈服极限。
对于轴对称问题，为书写方便，用记四个，
并写做
（2.13）
表示应力向量。
这时等效应力表达式为
（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。
（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流动法则，又称为塑性流动增量理论，其表达式为：
（2.16）2.2.2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，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：
变分方程：
（2.17）
刚度矩阵：
（2.18）
热载荷向量：
（2.19）
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。
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
（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。
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：
（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
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：
（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，它们可以从材料的等温相变图求得；k=1对应珠光体，k=2对应贝氏体。
第三章重轨温度场和应力场ANSYS仿真过程
3.1用ANSYS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。
3.2用ANSYS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
图3-1所示.
图3-1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3-2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
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。
表1钢轨的物性参数
T/℃
100
200
300
400
500
600
700
800
900
c/（J·kg-1·℃-1）
478
487
505
533
579
650
772
760
623
K/（W·m-1·℃-1）
40.24
37.68
35.08
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