一種基于ABAQUS對機械構件淬火瞬態溫度場的仿真方法

孫建香

摘 要：以煤礦機械中的常見零件為例，通過使用Abaqus軟件，采用熱物性參數隨溫度變化的取值形式，對外形較為復雜的該零件的淬火過程進行了有限元計算，得到了該零件隨淬火時間的瞬態溫度場分布結果。

關鍵詞：煤礦機械 淬火 瞬態溫度場

中圖分類號：TG156.34 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0225-02

1 瞬態溫度場的數學建模

2 瞬態溫度場仿真的參數設定

在傳統的瞬態溫度場模擬時，為了減小計算規模，往往假定零件材料的物理參數為恒定不變值。但得到的仿真結果往往與實際測試得到的結果存在著一定的誤差。本文為了嚴格控制計算精度，將物性參數設定為非線性量，即將熱傳導系數、比熱容等值設為隨溫度值變化而變化的函數量。本次試驗所選用的試件為45鋼，淬火液為水，試件的熱物性參數變化情況如表1、表2和表3所示。

3 瞬態溫度場模擬運算

如圖1所示，本次試驗的試驗零件為一煤礦機械中常用的非標件。其材料為45鋼，整體加熱至850 ℃進行保溫，待其奧氏體化充分后，放入20 ℃的冷卻液（水）中進行淬火，模擬其淬火過程的溫度場分布。

3.1 仿真前處理

實體建模：由圖1所給出的零件尺寸，在Abaqus軟件的Part界面內完成零件的實體建模。為了保證運算正確，單位統一為mm。

（2）賦予材料屬性：根據實驗[1]表明，45鋼的密度隨溫度的變化而改變不大，故將其設為常數。查機械材料手冊，得其密度為7833 kg/m3。由于未涉及殘余壓應力場的分析，故無需提供45鋼的彈性模量和泊松比。其CT、k、hc的數據分別按照表1、表2和表3輸入，以保證仿真結果的可靠性和真實性。

（3）設置分析步：在Step界面內完成分析步的設定。分析步類型為Heat transfer，且為非線性瞬態分析，時間設定為51s。在Incrementation內的Type選擇固定模式，分析步的最多數量設為10000，Increment size輸入1，即表示時間步長固定為1s。在場變量結果輸出欄內將Thermal打勾即為全選。

（4）設置淬火：在Interaction界面內，選擇Create interaction，對流換熱系數按照表4所示作為Amplitude輸入，由于淬火液是水，故將淬火液溫度設定為20℃。淬火區域設定為除了截面以外的所有面。

（5）劃分網格：此項工作在Abaqus軟件的Mesh界面內完成。單元類型為DC3D20，對于局部部位的網格進行了細化。由于該零件結構為對稱結構，故為了減少不必要的運算量，采用1/4結構的有限元運算模型進行計算。

（6）預定義溫度場。選取與（4）相同的區域，在Predefined Field Manager里設定初始溫度為850 ℃。

3.2 仿真結果及分析

根據仿真計算，得到了零件的淬火過程在51 s內各部位的溫度場實時分布。圖2至圖4分別顯示了零件在1 s、10 s和51 s的表面和心部的溫度場。從圖2可以看出，在淬火到1s時，零件邊緣的溫度明顯降低，而心部的溫度依然很高，這是由于輪緣狀物體的邊緣淬透性很大，仿真結果與實際相符。

隨著淬火過程的繼續，零件表面的溫度繼續明顯降低，但溫降速率逐漸被心部溫降的速率所超過。圖5是所關心的A至E點在淬火過程中的溫度值曲線。A點處于零件輪緣外交線上，所以在淬火一開始時，溫度下降極為明顯；C點和D點之間之所以差別比較明顯，是因為零件內部熱源的補充，使得溫降速度不一致。

參考文獻

[1] 馬仙.淬火過程數值模擬研究進展[J].兵器材料科學與工程，1999（3）：59-63：.

[2] 殷雯，雷宏.對稱鋼件淬火過程溫度場分布的數值模[J].集美大學學報，1998（3）：55-57.endprint

摘 要：以煤礦機械中的常見零件為例，通過使用Abaqus軟件，采用熱物性參數隨溫度變化的取值形式，對外形較為復雜的該零件的淬火過程進行了有限元計算，得到了該零件隨淬火時間的瞬態溫度場分布結果。

關鍵詞：煤礦機械 淬火 瞬態溫度場

中圖分類號：TG156.34 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0225-02

1 瞬態溫度場的數學建模

2 瞬態溫度場仿真的參數設定

在傳統的瞬態溫度場模擬時，為了減小計算規模，往往假定零件材料的物理參數為恒定不變值。但得到的仿真結果往往與實際測試得到的結果存在著一定的誤差。本文為了嚴格控制計算精度，將物性參數設定為非線性量，即將熱傳導系數、比熱容等值設為隨溫度值變化而變化的函數量。本次試驗所選用的試件為45鋼，淬火液為水，試件的熱物性參數變化情況如表1、表2和表3所示。

3 瞬態溫度場模擬運算

如圖1所示，本次試驗的試驗零件為一煤礦機械中常用的非標件。其材料為45鋼，整體加熱至850 ℃進行保溫，待其奧氏體化充分后，放入20 ℃的冷卻液（水）中進行淬火，模擬其淬火過程的溫度場分布。

3.1 仿真前處理

實體建模：由圖1所給出的零件尺寸，在Abaqus軟件的Part界面內完成零件的實體建模。為了保證運算正確，單位統一為mm。

（2）賦予材料屬性：根據實驗[1]表明，45鋼的密度隨溫度的變化而改變不大，故將其設為常數。查機械材料手冊，得其密度為7833 kg/m3。由于未涉及殘余壓應力場的分析，故無需提供45鋼的彈性模量和泊松比。其CT、k、hc的數據分別按照表1、表2和表3輸入，以保證仿真結果的可靠性和真實性。

（3）設置分析步：在Step界面內完成分析步的設定。分析步類型為Heat transfer，且為非線性瞬態分析，時間設定為51s。在Incrementation內的Type選擇固定模式，分析步的最多數量設為10000，Increment size輸入1，即表示時間步長固定為1s。在場變量結果輸出欄內將Thermal打勾即為全選。

（4）設置淬火：在Interaction界面內，選擇Create interaction，對流換熱系數按照表4所示作為Amplitude輸入，由于淬火液是水，故將淬火液溫度設定為20℃。淬火區域設定為除了截面以外的所有面。

（5）劃分網格：此項工作在Abaqus軟件的Mesh界面內完成。單元類型為DC3D20，對于局部部位的網格進行了細化。由于該零件結構為對稱結構，故為了減少不必要的運算量，采用1/4結構的有限元運算模型進行計算。

（6）預定義溫度場。選取與（4）相同的區域，在Predefined Field Manager里設定初始溫度為850 ℃。

3.2 仿真結果及分析

根據仿真計算，得到了零件的淬火過程在51 s內各部位的溫度場實時分布。圖2至圖4分別顯示了零件在1 s、10 s和51 s的表面和心部的溫度場。從圖2可以看出，在淬火到1s時，零件邊緣的溫度明顯降低，而心部的溫度依然很高，這是由于輪緣狀物體的邊緣淬透性很大，仿真結果與實際相符。

隨著淬火過程的繼續，零件表面的溫度繼續明顯降低，但溫降速率逐漸被心部溫降的速率所超過。圖5是所關心的A至E點在淬火過程中的溫度值曲線。A點處于零件輪緣外交線上，所以在淬火一開始時，溫度下降極為明顯；C點和D點之間之所以差別比較明顯，是因為零件內部熱源的補充，使得溫降速度不一致。

參考文獻

[1] 馬仙.淬火過程數值模擬研究進展[J].兵器材料科學與工程，1999（3）：59-63：.

[2] 殷雯，雷宏.對稱鋼件淬火過程溫度場分布的數值模[J].集美大學學報，1998（3）：55-57.endprint

摘 要：以煤礦機械中的常見零件為例，通過使用Abaqus軟件，采用熱物性參數隨溫度變化的取值形式，對外形較為復雜的該零件的淬火過程進行了有限元計算，得到了該零件隨淬火時間的瞬態溫度場分布結果。

關鍵詞：煤礦機械 淬火 瞬態溫度場

中圖分類號：TG156.34 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0225-02

1 瞬態溫度場的數學建模

2 瞬態溫度場仿真的參數設定

在傳統的瞬態溫度場模擬時，為了減小計算規模，往往假定零件材料的物理參數為恒定不變值。但得到的仿真結果往往與實際測試得到的結果存在著一定的誤差。本文為了嚴格控制計算精度，將物性參數設定為非線性量，即將熱傳導系數、比熱容等值設為隨溫度值變化而變化的函數量。本次試驗所選用的試件為45鋼，淬火液為水，試件的熱物性參數變化情況如表1、表2和表3所示。

3 瞬態溫度場模擬運算

如圖1所示，本次試驗的試驗零件為一煤礦機械中常用的非標件。其材料為45鋼，整體加熱至850 ℃進行保溫，待其奧氏體化充分后，放入20 ℃的冷卻液（水）中進行淬火，模擬其淬火過程的溫度場分布。

3.1 仿真前處理

實體建模：由圖1所給出的零件尺寸，在Abaqus軟件的Part界面內完成零件的實體建模。為了保證運算正確，單位統一為mm。

（2）賦予材料屬性：根據實驗[1]表明，45鋼的密度隨溫度的變化而改變不大，故將其設為常數。查機械材料手冊，得其密度為7833 kg/m3。由于未涉及殘余壓應力場的分析，故無需提供45鋼的彈性模量和泊松比。其CT、k、hc的數據分別按照表1、表2和表3輸入，以保證仿真結果的可靠性和真實性。

（3）設置分析步：在Step界面內完成分析步的設定。分析步類型為Heat transfer，且為非線性瞬態分析，時間設定為51s。在Incrementation內的Type選擇固定模式，分析步的最多數量設為10000，Increment size輸入1，即表示時間步長固定為1s。在場變量結果輸出欄內將Thermal打勾即為全選。

（4）設置淬火：在Interaction界面內，選擇Create interaction，對流換熱系數按照表4所示作為Amplitude輸入，由于淬火液是水，故將淬火液溫度設定為20℃。淬火區域設定為除了截面以外的所有面。

（5）劃分網格：此項工作在Abaqus軟件的Mesh界面內完成。單元類型為DC3D20，對于局部部位的網格進行了細化。由于該零件結構為對稱結構，故為了減少不必要的運算量，采用1/4結構的有限元運算模型進行計算。

（6）預定義溫度場。選取與（4）相同的區域，在Predefined Field Manager里設定初始溫度為850 ℃。

3.2 仿真結果及分析

根據仿真計算，得到了零件的淬火過程在51 s內各部位的溫度場實時分布。圖2至圖4分別顯示了零件在1 s、10 s和51 s的表面和心部的溫度場。從圖2可以看出，在淬火到1s時，零件邊緣的溫度明顯降低，而心部的溫度依然很高，這是由于輪緣狀物體的邊緣淬透性很大，仿真結果與實際相符。

隨著淬火過程的繼續，零件表面的溫度繼續明顯降低，但溫降速率逐漸被心部溫降的速率所超過。圖5是所關心的A至E點在淬火過程中的溫度值曲線。A點處于零件輪緣外交線上，所以在淬火一開始時，溫度下降極為明顯；C點和D點之間之所以差別比較明顯，是因為零件內部熱源的補充，使得溫降速度不一致。

參考文獻

[1] 馬仙.淬火過程數值模擬研究進展[J].兵器材料科學與工程，1999（3）：59-63：.

[2] 殷雯，雷宏.對稱鋼件淬火過程溫度場分布的數值模[J].集美大學學報，1998（3）：55-57.endprint