高壓氣體淬火過程的數(shù)值模擬.pdf

1、高壓氣淬過程的物理場包括氣淬爐內(nèi)的流場、氣體和金屬的溫度場、金屬的相變和組織、金屬的內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變。高壓氣淬過程的數(shù)值模擬就是模擬上面多場的耦合作用。對于流體和金屬的傳熱傳質(zhì)過程模擬，用有限差分法或者有限體積法模擬比較成熟；金屬的相變、內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變計算，采用有限元法比較成熟。研究中采用了有限體積法軟件FLUENT計算氣體的流場，氣體和金屬的溫度場，以及金屬的相變過程；在FLUENT中調(diào)用有限元軟件FEPG，用于計算金屬內(nèi)的應(yīng)力和變形。

2、 由于FLUENT和FEPG采用了不同的網(wǎng)格系統(tǒng)，因此在調(diào)用FEPG前，需要由FLUENT計算的溫度場用插值的方法計算出FEPG需要的溫度場。這就需要判斷FLUENT網(wǎng)格和FEPG節(jié)點的位置關(guān)系，需要比較復(fù)雜的編程工作。而由于FLUENT只提供了C語言的二次開發(fā)接口，開發(fā)較大的程序比較困難，因此如果可能，有必要找出一種方法，使用戶在VC++集成環(huán)境下用面向?qū)ο蟮姆椒▉韺LUENT進(jìn)行二次開發(fā)。FEPG是一個有限元程序生成器，生成F

3、ORTRAN語言的有限元程序。由于當(dāng)前FORTRAN已經(jīng)過時，且用FORTRAN開發(fā)大型程序比較困難，因此，有必要將FORTRAN程序轉(zhuǎn)換成C++，在VC++環(huán)境下對FEPG進(jìn)行二次開發(fā)。 在VC++環(huán)境下編譯動態(tài)庫，只要用相應(yīng)的宏通知編譯器，編譯器就能用C語言的格式編譯函數(shù)和變量，對于要調(diào)用的C語言庫，也只要在頭函數(shù)前加上相應(yīng)的宏，編譯器就能按C的接口格式調(diào)用函數(shù)。遵照這個原理，提出并編寫了一個讓用戶方便在VC環(huán)境中用C++對

4、FLUENT二次開發(fā)的工具。 FORTRAN語言和C語言都包括變量和數(shù)組定義、數(shù)學(xué)計算、跳轉(zhuǎn)語句、循環(huán)語句、文件操作等。對它們的語句進(jìn)行對應(yīng)轉(zhuǎn)換，就能將FORTRAN有限元語句轉(zhuǎn)換成C語句，讓FLUENT等程序直接調(diào)用C版有限元程序。提出并編寫了一個將FEPG工程轉(zhuǎn)換成C++工程的工具，用戶可以方便的用C++對FEPG進(jìn)行二次開發(fā)。 論文分析了流體的控制方程，其分別由質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒推導(dǎo)而來，分析了在湍流狀態(tài)

5、下控制方程的表達(dá)形式，用有限體積法對公式的離散作了推導(dǎo)。用有限體積法軟件FLUENT對高壓氣淬爐內(nèi)的流場和溫度場做了計算。計算的邊界條件包括氮氣進(jìn)口的流速和溫度、出口壓力。計算中考慮了氮氣和金屬在不同壓力或者溫度條件下物性參數(shù)的變化。計算中考慮了金屬內(nèi)部的鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體相變，以及相變對溫度場的影響。除馬氏體相變外，其他相變的孕育期采用了累加法，所有相變量的計算采用了相應(yīng)的Avrami公式。在每一計算時間步結(jié)束，金屬內(nèi)部溫

6、度場數(shù)據(jù)通過插補運算，得到FEPG結(jié)點的溫度分布，用于后面的有限元計算。 論文分析了固體的彈塑性模型。模型考慮了彈性應(yīng)變、溫度變化引起的應(yīng)變、相變引起的應(yīng)變、塑性應(yīng)變。用實例計算了H13模具在高壓氣淬過程中的變形。模擬和實測的結(jié)果相符合。 研究實行了用有限元方法實現(xiàn)了換熱系數(shù)反求法。用二維和三維的有限元法，可以考慮金屬換熱面對換熱系數(shù)的影響。用計算的換熱系數(shù)驗證試件中心的換熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)計算溫度和實測溫度相符。 為