基于ABAQUS法兰盘感应淬火残余应力场仿真 2012年7月
基于ABAQUS法兰盘感应淬火残余应力场仿真
摘要：表面感应淬火是一种工程中常用的热处理工艺，使用感应器来对工件的局部进行加热、迅速冷却，从而使工件表面产生残余应力，抵消工作载荷所产生的部分拉应力。本文就不同淬火温度下产生的残余应力大小的合理性及残余应力对缓解应力集中的作用两方面进行了分析，分析就过对提高产品质量、疲劳寿命及减少安全隐患有很大帮助。
关键字：法兰盘；残余应力；感应淬火；温度场；ABAQUS
法兰盘在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响且其影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。法兰盘是使管子与管子相互连接的零件，法兰连接使用方便，能够承受较大的压力。在工业管道中，法兰连接的使用十分广泛，法兰盘的作用就是使得管件连接处固定并密封，法兰连接是管道施工的重要连接方式。
2.1 思路
设定整个模型的初始温度20C，在分析步中令淬硬层区域的温度升高至某个温度值Thigh，其余区域的温度保持20C。这种温度差异会使高温区域产于压应力，相当于所要模拟的残余压应力。经过几次运算，就可以找到合适的Thigh，使法兰盘内圆角表面压应力与试验结果大致吻合。施加工作载荷时，保持上述温度场不变，就可以模拟在残余应力作用下应力场。 2.2 主要研究内容
①对淬硬层不同温度所产生的残余应力分析；
②对在相同外载荷，残余应力对缓和应力集中的作用进行分析。
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1、问题的提出
残余应力是一个不稳定的应力状态，构建受外力时，与残余应力相互作用，使构件某些局部呈现塑性变形。在实际工况中，法兰盘经过表面感应淬火后，淬硬层将会产生残余应力，影响着法兰的强度、寿命。本文就法兰盘不同淬火温度的残余应力场进行仿真分析，并分析此残余应力在缓和应力集中方面所起的作用，最后针对模型得出合理的淬火温度及产生的残余应力。
3、力学模型
本文以内孔直径为24mm，材料的弹性模量为2.1e5MPa，泊松比为0.3，线胀系数为1.35e-5C的法兰盘进行建模，其一端固定，另一端的整个端面受到向下的面载荷
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2、研究思路及内容
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p=100MPa。由假定实验测得法兰盘的内圆角表面残余应力约为-430MPa。 3.1三维模型
尽管几何模型和残余应力场都具有轴对称，但端面上的载荷不具有轴对称，因此需要建立三维实体模型（基于对称性，只对1/2模型进行建模），如图1：
根据法兰盘工况，法兰盘的底部使用全约束，法兰盘对称面的各个区域使用ZSYMM。
对称面 淬硬层的分界线
图3 边界条件模型
3.5 设置分析步
本模型属于静态响应，分析步类型为
图1 三维模型
Static，general。
①第一个分析步：淬火硬层区域的温度分别升高至100C 、120C、140C、160C,其余区域的温度保持20C，不施加外载荷，仿真工件的残余应力场。
②第二个分析步：保持上述温度场不变(有残余应力)，施加外载荷p=100MPa。
③第三个分析步：整个工件的温度都变为20 oC（无残余应力），保持外载荷p=100MPa，从而得到没有残余应力时的应
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3.2定义材料、截面属性
设置杨氏模量为210000，泊松比为0.3，线胀系数1.35e-5。 3.3划分网格
由于关心的是应力集中部位的应力状态，所以淬硬层使用C3D20R单元类型。
淬硬层 力场，用来与第二个分析步结果作比较。
图2 网格划分
3.4边界条件
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600最小主应力σminp5004003002001000100120不同淬火温度140160635号节点
图4 定义温度场载荷模型
图6 第一分析步（无外载荷）
由上图表明最小主应力随着淬火温度的上升而增大，淬火温度越高残余应力就越
4、有限元计算结果分析
由分析处理后可以得到图5法兰盘圆角
大，过大的残余应力（实验得知本模型残余应力为σ
minp
=430MPa）既不能平衡工作载荷
产生的拉应力，还会对法兰盘的刚度、寿命
表面残余应力的曲线图（第一分析步，温度场，无应力场）.
σ
minp
产生影响。当淬火的温度在120C时，
=433MPa与实验相符。因此，将淬火硬
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层区域的温度设为120C是比较合理的。
635号节点
641号节点 图5 取法兰盘内圆角表面路径曲线
从图中并结合模型得出，最小主应力在635号节点处值为σ
minp
图7 淬火层圆角处最小主应力
=433MPa。
分析残余应力的缓解应力集中方面的作用，在第一个分析步中，内圆角641号节点应力为σ
minp
不同淬火温度下残余应力的大小各异，从而对法兰盘带来不同的影响。下图表明100C、 120C、 140C 、160C温度下，淬火温度的产生的残余应力的大小。（法兰盘圆角处635号节点残余应力曲线图。
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= -238MPa。
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图8 温度场、应力场下最大主应力
图10 635、641节点最大、最小主应力曲线
在第二个分析步中（存在残余应力），635号节点的最大主应力σ641号节点最大应力为σ
minp
由上图，再结合分析模型可见残余应力显著降低了应力集中处的最大主应力，在此节点处，最大主应力降低的量676-469=209MPa，大致等于残余应力的值238MPa。
= -1MPa，
minp
= -469MPa。
5结论
本文通过对法兰盘感应淬火残余应力场仿真分析了不同淬火温度下的残余应力及残余应力缓解应力集中两方面内容，得出
图9 应力场下最大主应力（无温度场）
以下结论：
1）残余应力主要发生在法兰盘淬硬层内圆角表面处。
2）最小主应力随着淬火温度的上升而增大，淬火温度越高残余应力就越大，针对本模型淬火温度应该约为120C比较合理。
3）在合理的温度下，残余应力显著降低了应力集中处的最大主应力，适当的残余应力能缓解法兰盘的拉应力，对提高法兰盘的寿命起到了很大作用。
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第三个分析步（没有残余应力），此641号节点的最大主应力σ节点最大应力σ
minp
minp
= 676MPa，635号
= -178MPa。
通过有限元分析不同淬火温度下的残余应力及残余应力缓解应力集中两方面等处最小、最大主应力图（635、641号节点），如图10.
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上述方法是比较简单，与实际工况还存
在一定差距，精确度还不够高，对结果有一
定的影响。在后续的工作中，结合工况，需
要建立复杂的法兰盘传热分析和热弹塑性
分析。
参考文献
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命令流：
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6 展望
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