热力学在渗碳的数值模拟过程中的应用及意义文献综述.docx
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热力学在渗碳的数值模拟过程中的应用及意义文献综述
热力学在渗碳的数值模拟过程中的应用及意义文献综述
材料研10-1
韩文月
471020199
1.数值模拟内涵
1.1数值模拟定义及特征
数值模拟也叫计算机模拟。
它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。
在计算机上实现一个特定的计算，非常类似于履行一个物理实验。
这时分析人员已跳出了数学方程的圈子来对待物理现象的发生，就像做一次物理实验。
数值模拟实际上应该理解为用计算机来做实验。
比如某一特定机翼的绕流，通过计算并将其计算结果在荧光屏上显示，可以看到流场的各种细节：
如激波是否存在，它的位置、强度、流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。
通过上述方法，人们可以清楚地看到激波的运动、涡的生成与传播[1]。
总之数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别。
1.2数值模拟的工具
随着碳化温度场和渗入过程的深入研究，有限元技术的发展和应用，以及计算机模拟技术的飞速发展，目前在进行有限元分析时所用的软件方面已经有了不少优秀的计算模拟分析软件，如：
ANSYS、SYSWELD、ABAQUS、ADINA、NASTRAN、MAEC等可供氮化热处理工作者选用。
这些大型有限元分析软件都具有自动划分网格和自动整理计算结果，并形成可视化图形的前后处理功能。
因此，氮化热处理工作者已经无需自己编虚拟分析软件，可以利用上述商品化软件，必要时加上二次开发，即可得到需要的结果实现焊接虚拟分析[5]。
而目前应用最全最广的就是ANSYS软件。
1.3数值模拟热力学工作的的优点
在热力学实验中由于实验设备不充足等原因难以满足实验要求，很多工作人员不可能亲自到实验室做实验，这严重影响了检验的质量，导致理论与实践的分离。
另外，一些实验室条件有限，而实验人员众多，导致实验课时开设不足，但是通过计算机模拟可以使学生在实验前就能更好的了解实验的目的和原理，掌握实验方法和结果，因此是十分必要和可行的。
用ANSYS制作的热力学模拟，充分体现了ANSYS的交互性强、灵活性大等优点，很好地激发学生的学习兴趣和想象力，为多用户同时操作提供便利，具有一定的实用价值，可以大大地降低教育成本，使学生变被动接受为主动学习，成为教育过程中的主体，从而有效提高教学质量和教育效果，也增强了学生综合运用知识的能力，所以它在深化教学改革中有着广阔的应用前景。
2ANSYS软件的介绍
2.1ANSYS软件特点及结构
2.1.1ANSYS软件的特点
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。
因此它可应用于以下工业领域：
航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。
有限元方法是将连续的物体离散化，分解为由有限个单元组成的模型，即进行网格划分，进而对离散化模型求数值解。
2.1.2ANSYS软件的结构
软件主要包括三个部分：
前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
1）前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；
2）分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；
3）后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出[9]。
2.2ANSYS在热力学中的应用概况[10~13]
目前，在热加工过程中和热处理过程中温度场、应力应变场和组织场等物理参量场研究，对优化热处理工艺、提高热处理质量以及发展新的热处理技术均有重要的作用。
热处理过程是一个极为复杂的包含温度、组织转变、应力/应变相互作用的过程，其关系可见图2-1。
图2-1热处理中组织转变和应力关系图
3．氮化过程热力学分析及实用意义
近些年来热力学在研究金属材料及热处理过程中已开始有所应用,如相图热力学、相变凝固、增幅分解、脱溶分解、共析转变……热力学、热处理可控气氛控制、
化学热处理过程分析等由于统计方法计算热力学数据的发展,以及在各种温度下热力学数据的积累,热力学计算越来越精确这种方法对气体反应尤为简便和准确,
因此在分析化学热处理过程应用较多,譬如对渗碳、氮化、碳氮硼三元共渗、渗硼等化学热处理工艺都进行过热力学分析【2、6、8】,以指导工艺操作,提高零件质量。
4.自由能判据分析原理
ANSYS温度场模拟分析实例
3.1热物性参数的选择
本例铸坯的钢种为Q235普碳钢,这种钢材具有较高的塑性又有适中的强度,是应用很广泛的一种普碳结构钢.在本例的分析中,钢材的密度,弹性模量,热膨胀系数和泊松比视为常量,轧件材料的泊松比为0.3,材料的密度为7800kg/m-3,弹性模量是2.1GPa,热膨胀系数为1.06E-5,不随温度的变化而变化,而比热、导热系数等热物性质参数并不是常数,而是随材料的组织状态和温度而变化的.在不同温度情况下各参数变化如表1.
3.2模拟的初始条件和边界条件
初始条件是指传热过程开始时物体在整个区域中所具有的温度为已知值.用公式[5]表示为T（x,y,z,t）=T0（x,y,z）（在V内）这里V为体域;T0表示在t=0时的温度分部状态.初始温度场可以是均匀的或不均匀的,但工件各点温度值是己知的.本文冷却过程假设铸坯温度为非均匀的初始温度,沿铸坯的高度方向从中间向两边递减,其中中心温度为1000!
上下表面为900!
这样更接近实际情况.换热方式可以分为对流,传导和辐射,由于本次温度较高,对流和传导都可以忽略不计,只考虑到辐射边界条件进行模拟,所以边界条件就为第三类边界条件,即确定铸坯与周围流体间的表面传热系数及周围流体（空气）的温度,它的表达式为
式中:
T%为环境温度,K;lx、ly、lz分别为边界法向上的方向余弦;h为热传导系数,W/（m2∃K）.
3.3模拟结果及分析
通过VB对ANSYS的封装调用,当点击显示温度场结果图形按钮时,最终将结果返回到VB的form2界面用IMAGE1,IMAGE2控件进行显示,结果如图3图4所示.
应力场计算完成后,点击显示应力场结果图形按钮,最终将结果返回到VB的Form3界面用IM-AGE1,MAGE2控件进行显示,如图5,图6所示.
其中图3代表铸坯上一点在规定的时间段内的温度的变化过程,图4代表铸坯上表面中心纵向在模拟最后时刻的温度场变化情况,图5表示铸坯上选取点的应力变化曲线,图6表示铸坯等效应力图.图7是在武钢二热轧用便携式红外测温仪的实测数据与模拟结果的对比.
由图7可以看出模拟与实测基本吻合,从而为生产实际提供依据.
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