洛阳理工学院毕业设计（论文）
带轮淬火过程的有限元分析
摘 要
【为分析带轮淬火过程中的各场量变化情况，利用ANSYS的热分析功能对带轮进行瞬态热传递分析。以采用实体单元离散带轮模型及设定时间历程变量的方法来研究锻造带轮在终锻后进行淬火的过程，分析其表面到中心各个部分的温度变化。】
关键词：淬火，数值模拟，有限元法，热分析
Belt wheel quenching process based on finite element analysis
ABSTRACT
【Analysis of quenching process for belt wheel in the field variation, The use of ANSYS thermal analysis function of belt wheel for transient heat transfer analysis. By using the solid element discrete belt wheel model and setting the time history variable approach to the study of forging belt wheel in the end after forging quenching process. Analysis of the surface to the center of the various parts of the temperature change.】
KEY WORDS: Quench，Numerical simulation，The finite element method，Thermal analysis
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目 录
前 言 .................................................................................................. 1 第1章
问题描述 ............................................................................. 3
1.1 设置带轮初始条件................................................................. 3 第2章 问题的分析 ............................................................................ 5
2.1 瞬态热分析............................................................................. 5 2.2 分析模型的选择..................................................................... 5 2.3求解的问题.............................................................................. 6 第3章 带轮瞬态热分析的求解过程................................................. 7
3.1 建立工作文件名和工作标题................................................. 7 3.2 定义单元类型......................................................................... 7 3.3 定义材料性能参数................................................................. 8 3.4 3.5 3.6
创建几何模型、划分网络.................................................. 9 加载求解 ........................................................................... 20 查看求解结果.................................................................... 23
第四章 命令流文件 .......................................................................... 36 第五章 实验结论 .............................................................................. 42 谢 辞 ................................................................................................ 43 参考文献 ............................................................................................ 44 附 录 ................................................................................................ 46 外文资料翻译 .................................................................................... 47
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前 言
【有限元法是以电子计算机为手段的“电算”方法，它以大型问题为对象，未知的个数可以成千上万，因而为解决复杂的力学问题提供了一个有效的工具并被广泛应用于分析其他各种问题，尤其是热分析中的场问题，甚至成了该领域主要的分析方法。应用计算机这一先进手段，以有限元理论为基础进行数值模拟，可以提高产品加工质量，省时省力，降低成本。
淬火是为了获得不平衡的组织，以提高材料的强度和硬度。由于淬火过程本身的复杂性，特别是淬火引起的固态相变的多样性与复杂性以及传热和弹塑性变形之间的交互作用，分析工作存在着相当的难度；另外，在实时检测各物理量的变化方面，也存在一定的难度。组织状态和应力分布难以在热处理过程中进行在线测量。随着计算机技术和数值计算方法的发展，使材料热加工过程的计算机模拟技术应用越来越广泛。计算机模拟可以在虚拟的实验室中进行材料的热加工过程的各种虚拟实验。
本文利用有限元法模拟带轮在机械加工后进行的热处理（淬火）过程，并分析其内部温度的变化。
有限元法进行热分析的基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元（包含若干节点），然后根据能量守恒定律原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程，有次计算出各节点温度，继而进一步求解出其他相关量。
有限元法在热分析领域遵循热力学第一定律： Q-W=△U+△KE+△PE 式中： Q——热量；
W——所做的功；
△U——系统内能； △KE——系统动能； △PE——系统势能；
淬火过程是一个温度、相变、应力、应变相互影响的高度非线性过程。对于淬火的零件，虽然初始温度均匀，但淬火开始后，零件各部分温度分
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布差异极大，因此属于瞬态传热过程。在该过程中，热传导系数、换热系数、定压比热等热物性参数及各种生成相的含量随时间的变化而改变。有能量守恒原理可得：
[C] {T} + [K] {T＇} ={Q} 式中 [K]——传导矩阵；
[C]——比热矩阵； {T}——节点温度向量； {T＇}——温度对时间的倒数； {Q}——节点热流向量。】
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第1章 问题描述
1.1 设置带轮初始条件
淬火就是将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。这里我们用有限元的方法分析带轮淬火过程过个部分的温度变化情况。
在分析之前首先对带轮初始条件设置一下：
（1） 设带轮的初始温度为500摄氏度，将其突然放进温度为0℃的
水中，使其完成淬火过程。水的对流系数为110W/(m2.℃)。
（2） 带轮的的零件结构示意图如图1-1所示（图中长度单位为mm），
它的三维模型如图1-2所示。
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