1、合金钢圆柱体空冷过程温度场模拟摘要：随着计算机技术的迅速发展，正火过程的计算机模拟越来越受到人们的重视，已成为当今正火过程研究和正火工艺设计中必不可少的重要方法。热处理过程计算机模拟具有速度快、效率高、结果形象逼真、能综合全面反映热处理过程中各种变化规律的特点。与试验研究相结合，可以极大地拓展实测数据提供的信息，完成试验研究很难做到甚至不能做到的工作。合金钢热处理直接影响着合金钢材料组织和力学性能。本文采用ANSYS软件通过创建几何模型、划分网格、加载求解等过程对20CrMnTi正火和空冷温度场进行模拟。实验结果表明：在合金钢热处理过程中，合金钢壁厚不同，会影响正火温度场分布，从而影响合金钢的
2、寿命和质量。通过对模拟结果的分析，可以为合金钢的变形、开裂等缺陷的预测提供依据。关键词：ANSYS分析基础，正火工艺基础，20CrMnTi正火分析Alloy steel cylinder air cooling temperature field simulationAbstract：With the rapid development of computer technology, the normalizing process computer simulation more and more get peoples attention, has become todays researc
3、h and normalizing process is indispensable important method in the design of fire process. Computer simulation of heat treatment process with high speed, high efficiency, the image is clear and comprehensive reflection of the characteristics of various change law in the process of heat treatment. Co
4、mbined with experimental study, can greatly expand the information provided by the measured data, complete experimental study hard cant even do that work .Alloy steel heat treatment directly affects the organization and mechanical properties of alloy steel materials. This article USES the ANSYS soft
5、ware by creating model geometry, mesh, load of the process of 20 crmnti is fire and air cooling temperature field was simulated. The experimental results show that in the process of alloy steel heat treatment, steel wall thickness is different, will affect the normalizing temperature field distribut
6、ion, so as to affect the service life of alloy steel and quality. Through the analysis of simulation results, can for the prediction of the deformation, cracking and other defects of alloy steel. Keywords: ANSYS analysis foundation, normalizing process, 20 crmnti normalized analysis 目 录1 绪论11.1问题的提出
7、和研究意义11.2 研究现状21.3 本文研究目的和研究内容22 ANSYS软件组成42.1 ANSYS简介42.2 ANSYS软件组成43 合金钢加热数值模拟过程83.1 模拟方案的确定83.2 数值模拟的内容83.2.1 材料及参数的选择93.2.2 构建数学模型93.2.3 网络划分103.2.4 施加载荷与求解113.2.5 后处理143.3 数值模拟结果讨论204 合金钢空冷数值模拟过程214.1 模拟方案的确定214.2 数值模拟的内容214.2.1 材料及参数的选择214.2.2 构建数学模型214.2.3 网络划分224.2.4施加载荷与求解234.2.5 后处理264.3 数
8、值模拟结果讨论32结论33参考文献34致 谢351 绪论1.1问题的提出和研究意义（1）通过模拟20CrMnTi合金钢加热温度场，确定加热时间；通过模拟20CrMnTi合金钢空冷温度场，确定冷却时间。（2）通过对20CrMnTi合金钢温度场分析 ，可以将载荷直接施加在节点或者单元上，简单的选择全部所需的节点或者单元，并指定适当的约束。选取得到圆柱体体心点、棱上点、顶面圆心点的温度随时间的变化关系。（3）空冷后工件内的应力、变形和开裂都是由于工件加热或冷却时温度不均匀而引起的。因此空冷过程数值模拟的第一步, 即为温度场的数值模拟; 温度场的计算结果既是零件内组织性能的预测依据, 同时又作为输入参
9、数计算工件正火时的瞬时应力和应变, 预测正火后工件内部残余应力和变形开裂倾向1。1.2 研究现状20CrMnTi是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。用于制造截面30mm的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字头等2。是18CrMnTi的代用钢，广泛用作渗碳零件，在汽车.拖拉机工业用于截面在30mm以下，承受高速.中或重负荷以及受冲击.摩擦的重要渗碳零件，如齿轮.轴.齿圈.齿轮轴.滑动轴承的主轴.十字头.爪形离合器.蜗杆等。化学成分：碳C：0.170.23、硅Si：0.
10、170.37 、锰Mn：0.801.10、铬Cr：1.001.30、硫S：允许残余含量0.035、磷P：允许残余含量0.035、镍Ni：允许残余含量0.030、铜Cu：允许残余含量0.030、钛Ti：0.040.103力学性能：抗拉强度b (MPa)：1080(110)、屈服强度s (MPa)：835(85)、伸长率5 (%)：10、断面收缩率 (%)：45 、冲击功Akv (J)：55、冲击韧性值kv (J/cm2)：69(7)、硬度：217HB、试样毛坯尺寸为15mm、密度：7803 kg/m3、弹性模量:207GPa、泊松比:0.25、导热率:1.2610-51/ 41.3 本文研究目的
11、和研究内容1）模拟20CrMnTi加热过程时，一些时刻的温度场分布及圆柱体中心、表面圆心、边缘处的温度随时间的变化关系。如刚开始加热时，20CrMnTi圆柱体的温度场分布，加热到需要温度时的温度场分布；圆柱体上这些特殊点在刚开始加热，加热中，加热完成时的温度变化关系。2）模拟20CrMnTi空冷过程时，一些时刻的温度场分布及圆柱体中心、表面圆心、边缘处的温度随时间的变化关系。如刚开始冷却时，20CrMnTi圆柱体的温度场分布，空冷至中期时以及空冷完成时的温度场分布；圆柱体上这些特殊点在刚开始空冷，过程中，结束时的温度变化关系。3）了解及分析20CrMnTi热处理前后组织及力学性能的变化，做详细
12、的对比记录，从而达到优化零件热加工工艺的目的。2 ANSYS软件组成2.1 ANSYS简介ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等,是现代产品设计中的高级CAD工具之一5-7。2.2 ANSYS软件组成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。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；分析计算模块包括
13、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；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。（1） 前处理模块PREP7双击实用菜单中的“Preprocessor”，进入ANSYS的前处理模块。这个模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。实体建模:ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实
14、体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角
15、生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。网格划分:ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。（2） 求解模块SOLUTION前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。点击快捷工具区的SAVE_DB将前处理模块生成的模型存盘，退出Preprocessor，点击实用菜单项中的Solution，进入分析求解模块。在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。A
