畢業(yè)論文---帶輪淬火過程的有限元分析

1、<p><b>　　有限元分析與建模</b></p><p><b>　　期末論文</b></p><p>　　題目： 帶輪淬火過程熱瞬態(tài)分析</p><p><b>　　電子科技大學(xué)</b></p><p><b>　　機電學(xué)院</b><

2、/p><p>　　帶輪淬火的瞬態(tài)熱分析</p><p><b>　　問題描述</b></p><p>　　淬火就是將金屬工件加熱到某一適當(dāng)溫度并保持一段時間，隨即浸入淬冷介質(zhì)中快速冷卻的金屬熱處理工藝。這里我們用有限元的方法分析帶輪淬火過程過個部分的溫度變化情況。</p><p>　　在分析之前首先對帶輪初始條件設(shè)置一下：&

3、lt;/p><p>　　設(shè)帶輪的初始溫度為500攝氏度，將其突然放進溫度為0℃的水中，使其完成淬火過程。水的對流系數(shù)為110W/(m2.℃)。</p><p>　?。?）帶輪的的零件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示（圖中長度單位為mm），它的三維模型如圖2所示。</p><p>　　圖 1 帶輪的結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　圖 2 帶輪的三維結(jié)構(gòu)圖<

4、;/p><p>　?。?）帶輪材料的熱性能參數(shù)如表1所示。</p><p>　　表1 帶輪的材料熱性能參數(shù)</p><p><b>　　二、問題的分析</b></p><p>　　在進行有限元建模之前，首先對一下幾個方面進行分析</p><p><b>　　瞬態(tài)熱分析</b>&l

5、t;/p><p>　　瞬態(tài)熱分析用于計算一個系統(tǒng)的隨時間變化的溫度及其它熱參數(shù)。在工程上一般用瞬態(tài)熱分析計算溫度場，并將之作為熱載荷進行應(yīng)力分析。</p><p>　　瞬態(tài)熱分析的基本步驟與穩(wěn)態(tài)熱分析類似，瞬態(tài)熱分析中使用的單元與穩(wěn)態(tài)熱分析相同，主要的區(qū)別是瞬態(tài)分析中的載荷是隨時間變化的。為了表達隨時間變化的載荷，首先必須將載荷－時間曲線分為載荷步。載荷－時間曲線中的每一個拐點為一個載荷步。對

6、于每一個載荷步，必須定義載荷值及時間值，同時必須選擇載荷步為漸變或階躍。</p><p><b>　　2、分析模型的選擇</b></p><p>　　建立有限元模型時需要考慮的因素很多，不同的問題所需要考慮的側(cè)重點也不一樣。但不論什么問題，建模時都應(yīng)該考慮的兩調(diào)基本原則：一是保證計算結(jié)果的精度，二是要適當(dāng)控制模型規(guī)模。而精度和規(guī)模是一對相互矛盾的因素。往往精度非常高時

7、，模型的規(guī)模又太大，在建模和分網(wǎng)等過程帶來很多麻煩，同時求解也很困難；想要縮小模型的規(guī)模又達不到需要的計算精度。所以建模時應(yīng)根據(jù)具體的分析對象、分析要求和分析條件權(quán)衡考慮。對帶輪分析模型的建立，主要從以下三個方面分析：</p><p><b>　　（1）帶輪的結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　由上面給出帶輪的結(jié)構(gòu)示意圖和三維結(jié)構(gòu)圖可以知道該帶輪的幾何形狀是嚴(yán)格軸對稱的

8、，是相對對稱軸的旋轉(zhuǎn)體；</p><p><b>　?。?）邊界條件</b></p><p>　　帶輪在淬火過程中的邊界條件是對稱，帶輪是整體的受熱，對于以軸線的旋轉(zhuǎn)體，溫度在各個旋轉(zhuǎn)角度的變化情況是相同的，而且在突然放進0℃的水中時，帶輪的各個角度的部位受溫度影響也是一樣的；</p><p><b>　?。?）材料</b>

9、;</p><p>　　帶輪的材料是各向同性的，這種條件自然滿足。</p><p>　　基于以上的幾點分析，我們在做有限元分析時沒有必要對整個帶輪進行分析，只需要對帶輪的一部分做分析，就能得到滿意的答案。因此，我們選用了整個帶輪的1/16部分（即22.5°的角度）作為帶輪的分析幾何模型，如圖3所示。</p><p>　　圖3 帶輪熱分析的幾何模型<

10、/p><p><b>　　3、求解的問題</b></p><p>　　帶輪的淬火過程是一個熱瞬態(tài)分析過程，因此我們?yōu)榱烁昧朔治龀稣麄€淬火過程中帶輪整個的溫度變化以及帶輪各個部位的溫度變化情況，我們需要求解以下兩個問題：</p><p>　　（1）在一分鐘和五分鐘后帶輪的溫度場分布情況</p><p>　?。?）求出零件圖上

11、A、B、C、D、E各點溫度在整個淬火過程中隨時間的變化關(guān)系</p><p>　　三、帶輪瞬態(tài)熱分析的求解過程</p><p>　　1、單元類型和材料的定義</p><p>　　單元類型是實體（solid），這里需要定義兩個實體的單元類型:一個是brick 8node 70和brick 20node 90，如圖4所示。</p><p>　　圖

12、4 單元類型的定義</p><p>　　我們進行的是帶輪的熱瞬態(tài)分析，材料的定義只需要有與熱傳導(dǎo)有影響的就行了。這里主要的材料就是帶輪。前面表1給出了材料參數(shù)定義。分別設(shè)置好帶輪材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和密度，如圖5所示。</p><p><b>　　圖5 材料的定義</b></p><p><b>　　2、模型的創(chuàng)建</b>

13、</p><p>　　帶輪本身是一個立體的軸對稱的實體模型，我們分析的是22.5°的模型。實體模型也相對較大，所以將實體模型縮小1000倍在ansys中進行建模。在建模時可以分三步：（1）建立帶輪軸側(cè)面的平面模型如圖6。（2）以帶輪的軸為中心，旋轉(zhuǎn)22.5°。（3）選的軸側(cè)面中間的圓槽可以先畫一個圓柱，再通過Booleans實體減運算的到最后的分析模型。最后的到得分析模型如前面圖3所示。<

14、;/p><p><b>　　圖6 帶輪的側(cè)面</b></p><p><b>　　3、網(wǎng)格的劃分</b></p><p>　　網(wǎng)格的質(zhì)量決定了計算的結(jié)果精度和計算量的大小。</p><p>　　在這里，因為對整個實體分網(wǎng)的網(wǎng)格數(shù)比較多，所以采用了低階的三角線性網(wǎng)格，這樣比較經(jīng)濟；在模型的中部，有個半圓柱

15、的影響，棱角變化較明顯，淬火過程中溫度變化會比較快，所以在分網(wǎng)是將中間部分和兩邊分別分網(wǎng)：兩邊的網(wǎng)格邊長為0.025，而中間部分的網(wǎng)格邊長較小，設(shè)為0.02。最后分網(wǎng)的情況圖7所示：</p><p><b>　　圖 7 分網(wǎng)情況</b></p><p>　　4、建立邊界條件并求解</p><p>　　將實際工況量化為模型的邊界條件是有限元建模的

16、關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。邊界條件是否符合實際，很大程度上決定了計算結(jié)果的精度。</p><p>　　而熱邊界條件用于描述結(jié)構(gòu)邊界表面與外部的相互熱作用規(guī)律。在熱傳導(dǎo)學(xué)中包括了溫度邊界條件、熱流邊界條件和傳熱邊界條件。這里熱瞬態(tài)分析，帶輪的初始溫度為500℃，因此所有的結(jié)點初始溫度為500℃。水的對流系數(shù)為110W/(m2.℃)。水的溫度為0℃。</p><p>　　設(shè)定好邊界條件后，還應(yīng)該控制分析的

17、時間，不能一直計算下去。我們研究的是5分鐘以內(nèi)的帶輪對火過程的熱瞬態(tài)分析。所以設(shè)置“time control”為300秒。</p><p>　　邊界條件都設(shè)置好了以后，通過求解命令對建立的模型進行有限元求解。</p><p><b>　　5、查看求解結(jié)果</b></p><p>　?。?）1分鐘時和5分鐘時的溫度場分布，分別如圖8和圖9所示：&

18、lt;/p><p>　　圖8 1分鐘時溫度場</p><p>　　圖9 5分鐘時的溫度場分布</p><p>　?。?）零件圖上A、B、C、D、E各點溫度隨時間的變化關(guān)系。分別如圖10、圖11、圖12、圖13、圖14所示。</p><p>　　圖10 A點溫度變化情況</p><p>　　圖11 B點的溫度變化情況

19、</p><p>　　圖12 C點的溫度變化情況</p><p>　　圖13 D點的溫度變化情況</p><p>　　圖14 E點的溫度變化情況</p><p><b>　　實驗結(jié)論</b></p><p>　　在帶輪淬火過程中：(1)帶輪的兩端的溫度變化較快，溫度很快就降下來了，最低溫度也出