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渗碳圆柱齿轮淬火过程的数值模拟

作 者: 杨志强
导 师: 杜国君
学 校: 燕山大学
专 业: 工程力学
关键词: 圆柱齿轮 渗碳 淬火 残余应力 ANSYS
分类号: TG162.73
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 92次
引 用: 1次
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内容摘要


热处理是齿轮热加工的最后一道工序,而渗碳淬火是热处理的重要环节。渗碳淬火后使齿轮轮齿表面和内部形成残余应力,残余应力对齿轮的抗疲劳强度、加工精度和抗腐蚀能力有显著的影响。但在实际工作中,传统的方法对于测量残余应力的分布有很多限制和不足,而且也很难精确地跟踪试件表面和内部的应力场变化。因此采用有限元模拟的方法,研究渗碳齿轮在淬火过程中的应力场变化,以及最终残余应力的分布具有重要的工程实际意义。本文基于热传学基本原理,热弹塑性理论,采用有限元软件ANSYS,对渗碳圆柱齿轮淬火冷却过程的温度场和应力场进行了数值模拟。根据模拟需要,将参数连续变化的渗碳层简化为阶梯变化,利用APDL语言编制了创建圆柱直齿轮模型以及渗碳层模型,各种材料参数的输入的命令流文件,可方便模型和参数的修改,实现模拟渗碳齿轮淬火过程的参数化分析。通过模拟计算,研究了渗碳圆柱齿轮在整个淬火过程中温度场和应力场的变化规律,以及最终齿轮轮齿残余应力的分布情况。并对残余应力场的分布特点进行了分析,为齿轮渗碳工艺的确定提供理论参考。将上述分析得到的残余应力场作为初始应力,研究了残余应力场对齿轮工作性能的影响,从数值计算的角度验证了渗碳齿轮在淬火后形成的残余压应力对齿轮的保护作用,并研究了不同渗碳层厚度对残余应力分布的影响,提出了合理的模型。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-18
  1.1 传统齿轮制造存在的问题  10
  1.2 热处理技术的计算机模拟研究简介  10-12
  1.3 数值模拟在热处理方面的优点  12-13
  1.4 数值模拟在热处理方面的不足  13
  1.5 计算机数值模拟在淬火方面的应用  13-15
  1.6 计算机数值模拟在热处理方面的发展和前景  15-16
  1.7 本文的研究目的和研究内容  16-18
第2章 渗碳淬火基本原理  18-27
  2.1 渗碳的基本原理  18-19
  2.2 淬火的基本原理  19-20
  2.3 残余应力的形成  20-22
    2.3.1 热应力  21
    2.3.2 组织应力  21-22
    2.3.3 残余应力的的复杂性  22
  2.4 残余应力的作用  22-23
  2.5 残余应力的测定  23-24
  2.6 残余应力对齿轮寿命影响  24-25
  2.7 ANSYS 软件的热分析功能  25
  2.8 ANSYS 研究渗碳齿轮淬火的基本原理  25-26
  2.9 本章小结  26-27
第3章 渗碳齿轮的淬火温度场分析  27-41
  3.1 淬火过程温度场模拟的非线性分析  27-30
    3.1.1 温度场的控制方程  28
    3.1.2 初始条件  28-29
    3.1.3 边界条件  29-30
    3.1.4 几何条件  30
    3.1.5 物理条件  30
  3.2 温度场的求解  30
  3.3 带相变的耦合温度场计算  30-31
  3.4 温度场模拟的各参数数据  31-33
  3.5 ANSYS 建立齿轮模型  33-34
  3.6 温度场模拟求解  34-40
    3.6.1 温度场模拟的基本方法  34-35
    3.6.2 温度场模拟计算  35-37
    3.6.3 结果分析  37-40
  3.7 本章小结  40-41
第4章 渗碳齿轮的淬火应力场分析  41-64
  4.1 数值模拟求解应力场的基本原理  41
  4.2 热应力的计算  41-46
    4.2.1 弹性问题  42-43
    4.2.2 热弹性问题  43-45
    4.2.3 位移和载荷关系式  45
    4.2.4 热弹塑性问题求解  45-46
  4.3 计算机模拟计算热应力场的主要过程  46-47
  4.4 渗碳齿轮淬火过程模拟应力场的数据  47-49
  4.5 渗碳齿轮淬火过程应力场的结果分析  49-63
    4.5.1 材料属性的处理  50-53
    4.5.2 淬火过程中应力变化分析  53-58
    4.5.3 淬火结束后渗碳层应力分布分析  58-63
  4.6 本章小结  63-64
第5章 渗碳层对齿轮的影响  64-73
  5.1 齿轮的主要失效形式  64-65
  5.2 渗碳层对齿轮轮齿的保护作用  65-69
    5.2.1 未渗碳的齿轮淬火后的残余应力  66-67
    5.2.2 齿轮的加载模拟  67-69
  5.3 渗碳层厚度对残余应力的影响  69-72
  5.4 本章小结  72-73
结论  73-75
参考文献  75-79
致谢  79-80
作者简介  80

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 热处理 > 钢件热处理 > 机械零件热处理 > 齿轮热处理
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