淬火冷卻過程三維有限元模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化的研究.pdf

1、淬火作為改變和提高材料性能的重要手段，在汽車、航空、運輸、建筑及其他制造業(yè)領域有著廣泛而重要的應用。但由于淬火過程是一個復雜的多場耦合過程，傳統(tǒng)熱處理技術已經不能適應機械工業(yè)現(xiàn)代化的要求，應用計算機技術改造熱處理已成為當務之急。在這種背景下熱處理數(shù)學模型與數(shù)值模擬技術日益受到重視，已成為當今各國研究開發(fā)的熱點。 上世紀七八十年代以來，計算機技術的迅猛發(fā)展，使計算機作為一個強有力的工具在各工程領域獲得了越來越廣泛的應用，淬火領域也

2、不例外。淬火過程的數(shù)值模擬作為一種計算機輔助工藝設計方法，可以優(yōu)化設計工藝、降低廢品率，從而大大提高工作效率。淬火過程計算機模擬技術近年來雖然取得了一些進展，并顯示出巨大的優(yōu)越性，但它仍處于發(fā)展階段，許多重要問題如換熱系數(shù)測算、溫度組織應力耦合分析模型建立等有待于進一步研究，它的潛力也沒有真正發(fā)揮出來。 本文針對上述淬火模擬存在的問題，建立了淬火冷卻過程三維溫度場、組織轉變和應力/應變場的耦合分析模型，提出了基于有限元和最優(yōu)化方

3、法計算淬火換熱系數(shù)的方法，把遺傳算法引入氣體淬火工藝參數(shù)優(yōu)化過程，得到了可以提高淬火質量的淬火工藝參數(shù)。具體如下： 針對淬火冷卻過程溫度和組織變化的特點，綜合考慮了邊界換熱系數(shù)、相變潛熱以及熱物性參數(shù)等非線性因素的影響，采用C++語言編寫了求解淬火冷卻過程三維溫度場的有限元程序。該程序大大減小了通用有限元軟件處理淬火過程非線性問題時只能以常數(shù)代替所引起的模擬誤差。 提出了相變潛熱的計算與處理方法，把相變潛熱作為每個單元的

4、內熱源進行處理，并迭代求解至收斂，提高了溫度場的計算精度。編寫了模擬相變過程和組織轉變的程序。研究了網格細化、動態(tài)時間步長和集中熱容矩陣對求解溫度場時出現(xiàn)的數(shù)值振蕩問題的影響，計算結果表明：在時間步長選擇合適的情況下，集中熱容矩陣能夠很好地解決數(shù)值振蕩問題；如果不進行集中熱容矩陣，無論是細化網格還是減小時間步長，其解決數(shù)值振蕩問題的效果都不好。但是集中熱容矩陣造成邊界節(jié)點的溫度曲線與解析解的誤差較大。 自主設計了端部淬火實驗工裝

5、，對P20試樣進行端部淬火實驗，并對試樣相應部分進行金相分析及硬度檢驗，得到了準確的實驗數(shù)值。建立了P20鋼端部淬火的有限元模型，用本文編寫的程序對P20鋼端部淬火實驗進行了有限元模擬，得到了相應實驗位置的各新生成相的含量及相應位置的硬度計算值，將這些數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)進行比較，對有限元模擬程序進行了檢驗，檢驗表明本文的有限元程序是準確的、可靠的。結合非線性有限元方法和最優(yōu)化方法，對淬火冷卻過程的反向熱傳導問題進行了研究。利用文獻中的換熱系

6、數(shù)數(shù)據(jù)和熱物性參數(shù)，計算得到淬火零件相應位置的溫度變化曲線，然后根據(jù)溫度變化曲線，用本文開發(fā)的基于有限元和最優(yōu)化方法的反傳熱分析程序求解隨溫度變化的換熱系數(shù)。利用三維非線性有限元方法，以進退法確定初始搜索區(qū)間，結合黃金分割法、逐次二次插值法及其混合法等優(yōu)化方法，根據(jù)已知溫度曲線，對淬冷過程反傳熱中的換熱系數(shù)的求解時間問題進行了研究。在求解換熱系數(shù)時，對端淬和全淬的情況進行了比較。由于在兩種情況下首先計算換熱系數(shù)的點選取不同，在端淬情況下

7、所得換熱系數(shù)與參考值吻合程度好于全淬的情況。 自主設計了采集試樣內部相應位置處冷卻曲線的實驗裝置及基于ISA 總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)采集了P20鋼在20℃和60℃水中冷卻時的冷卻曲線，根據(jù)實驗測量的溫度曲線利用本文中的有限元模擬程序和最優(yōu)化程序得到了20℃和60℃水隨淬火件溫度變化的換熱系數(shù)曲線。 推導和建立了淬火過程材料處于彈性區(qū)、塑性區(qū)、過渡區(qū)的應力/應變關系，并編寫了相應的三維有限元模擬程序。根據(jù)淬火過

8、程的特點，提出了一種新的計算彈塑性比例方法，并提出了加快彈塑性比例系數(shù)收斂速度的方法。計算結果表明：該方法可以明顯地加快迭代時彈塑性比例系數(shù)的收斂速度，避免產生不收斂現(xiàn)象，而且可以較好的保證計算精度。采用C++語言編寫了淬火過程的三維應力應變場的模擬程序。選擇1080鋼水冷淬火和板的熱應力問題兩個算例對該程序進行了驗證。結果表明，模擬結果與實驗結果比較接近，用本文的有限元模擬程序，可以得到比較準確的應力應變值。 建立了溫度場、組

9、織轉變和應力場的三維耦合分析模型。選擇軸對稱空心圓柱體問題、偏心圓柱筒為研究對象，建立相應的有限元分析模型，研究了其溫度場、組織轉變和應力場在淬火過程中的變化情況，并將其組織分布情況與實驗結果進行了比較。研究了三維偏心圓柱筒由溫度引起的初應變、相變引起的初應變及相變塑性對淬火殘余應力的影響。 把遺傳算法引入氣體淬火工藝參數(shù)優(yōu)化過程。提出了階段性換熱系數(shù)模型，并根據(jù)該模型以淬火變形為目標對P20鋼磚型結構件氣體淬火工藝進行了優(yōu)化，