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淬火过程有限元模拟关键技术及工艺参数优化的研究

作　者: 李辉平
导　师: 赵国群
学　校: 山东大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 淬火有限元法模拟曲面响应方法工艺参数优化
分类号: TG156.3
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

针对淬火过程温度和组织变化的特点,提出了处理相变潜热的计算方法。使用集中热容矩阵、网格细化和动态时间步长的方法,编写了淬火过程有限元模拟程序,并提出了一种新的计算时间步长的方法—基于最大和最小温差的自适应步长,该方法是用前一步模拟得到的温度场与当前步模拟所得的温度场的差值控制模拟时间步长。选择有精确解或解析解的算例,用其结果与本文中有限元模拟程序求得的结果进行比较,从模拟结果的对比中可以看出,本文提出的方法可以有效地避免数据振荡,而且模拟精度较高。自行设计了新的端部淬火实验工装和基于ISA总线的数据高速采集系统,对P20试样进行端部淬火实验,并对试样相应部分进行定量金相分析及硬度检验,得到了准确的实验数值。建立了P20钢端部淬火的有限元模型,用本文编写的程序对P20钢端部淬火实验进行有限元模拟,得到相应实验位置的各新生成相的含量及相应位置的硬度计算值,将这些数据与实验数据进行比较,检验编写的有限元模拟程序进行检验,验证了本文的有限元程序是准确性和可靠性。提出了一种新的求解随温度变化的换热系数方法,该方法把有限元方法引入到反向热传导问题中,结合使用最优化方法中的进退法和试探法。在计算过程中,利用有限元法可以方便地计算出各个单元在整个过程的相变情况,并能得到各单元在相应时间段所产生相变潜热,从而在计算随温度变化的换热系数时,将各单元的相变潜热与单元温度场进行耦合计算。为了使进退法适用于该类反传热问题,对其算法进行了改进,并用其确定优化的搜索区间,然后用试探法(黄金分割法)在搜索区间内找到换热系数的最佳值。建立了淬火过程求解换热系数的有限元模型,利用有限元法编写了淬火过程换热系数的求解程序。利用文献中的换热系数数据和热物性参数,用大型有限元分析软件MARC及二次开发的计算相变量的用户子程序,计算得到淬火零件相应位置的温度变化曲线,然后根据温度变化曲线,用本文开发的基于有限元和最优化方法的反传热分析程序求解随温度变化的换热系数,将求得的换热系数与文献中的换热系数比较,结果表明:用本文中的方法及有限元求解程序求解的换热系数精度较好,而且计算的迭代收敛速度较快。利用自行设计基于ISA总线的数据高速采集系统采集了P20钢在20℃和60℃水

全文目录

摘要  10-13
ABSTRACT  13-20
符号表  20
第一章绪论  20-34
  1．1 引言  20-21
  1．2 淬火工艺模拟技术的国内外研究现状  21-26
    1．2．1 连续冷却条件下的转变  22
    1．2．2 等温条件的转变  22-24
    1．2．3 国外淬火工艺模拟研究现状  24-26
    1．2．4 国内淬火工艺模拟研究现状  26
  1．3 国内外的热处理软件包  26-28
  1．4 热处理过程的优化  28-29
  1．5 淬火过程数值模拟的难点及存在的问题  29-31
  1．6 本文的主要研究内容  31-34
第二章淬火工艺温度场模拟技术  34-61
  2．1 引言  34-35
  2．2 淬火过程导热偏微分方程  35-37
    2．2．1 温度场控制方程  35
    2．2．2 初始条件  35-36
    2．2．3 边界条件  36-37
  2．3 瞬态温度场的变分  37-45
    2．3．1 平面瞬态温度场的变分  37-43
    2．3．2 轴对称瞬态温度场的变分  43-45
  2．4 瞬态温度场的求解  45-55
    2．4．1 差分方法  45-46
      2．4．1．1 两点差分  45-46
      2．4．1．2 三点向后差分  46
    2．4．2 系数矩阵的存储方法  46-47
    2．4．3 温度场数值振荡问题  47-55
  2．5 热物性参数的选择  55
  2．6 温度场计算流程框图  55-57
  2．7 温度场有限元模拟程序验证  57-60
    2．7．1 变导热系数定常内热的一维稳态热传导问题  57-58
    2．7．2 无内热二维瞬态热传导问题  58-60
  2．8 小结  60-61
第三章淬火工艺相变过程模拟技术  61-84
  3．1 引言  61-62
  3．2 TTT曲线  62-63
  3．3 相变过程的数学模型  63-65
    3．3．1 扩散型转变  63
    3．3．2 非扩散型转变  63
    3．3．3 M_s温度的计算  63-64
    3．3．4 B_s温度的计算  64
    3．3．5 相变潜热的计算与处理  64-65
  3．4 Scheil叠加法则  65-66
  3．5 杠杆定律  66-67
  3．6 淬火过程的相变塑性  67-68
  3．7 淬火力学性能计算  68-69
  3．8 组织场模拟流程框图  69-71
  3．9 P20端淬工艺模拟与实验研究  71-82
    3．9．1 端淬工艺模拟  71-73
      3．9．1．1 模拟模型的建立  71-72
      3．9．1．2 热物性参数的选择  72-73
    3．9．2 端淬实验研究  73-80
    3．9．3 相变潜热对温度场和组织场的影响  80-82
  3．10 小结  82-84
第四章淬火过程冷却曲线的采集及介质换热系数的计算  84-109
  4．1 引言  84-85
  4．2 计算模型及计算方法  85-91
    4．2．1 计算模型的建立  85
    4．2．2 换热系数优化区间的确定  85-88
    4．2．3 换热系数最佳值的确定  88-90
    4．2．4 黄金分割法迭次数的分析  90-91
  4．3 换热系数的求解  91-94
  4．4 实验装置  94-102
    4．4．1 实验工装  94-97
    4．4．2 热电偶  97-98
    4．4．3 热电偶调理板  98-99
    4．4．4 数据采集卡  99-102
      4．4．4．1 数据采集卡的技术指标  99-100
      4．4．4．2 数据采集卡的工作原理  100-102
  4．5 冷却曲线的采集及换热系数计算  102-107
  4．6 小结  107-109
第五章淬火过程应力/应变场的模拟技术  109-133
  5．1 引言  109-110
  5．2 淬火过程力学基本方程  110-111
  5．3 热弹塑性本构关系  111-118
    5．3．1 弹性区的应力应变关系  112-113
    5．3．2 塑性区的应力应变关系  113-116
    5．3．3 过渡区的弹塑性比例系数的计算  116-118
  5．4 应力/应变场有限元基本理论与技术  118-122
    5．4．1 单元和形函数  118-119
    5．4．2 单元应变速率矩阵  119-121
    5．4．3 等效应变速率矩阵  121-122
    5．4．4 边界条件  122
  5．5 热弹塑性问题求解  122-125
    5．5．1 变分方程及刚度矩阵  122-123
    5．5．2 增量变刚阵方法  123-124
    5．5．3 迭代收敛准则  124-125
  5．6 预应力淬火过程的应力、应变计算  125-127
  5．7 应力、应变计算流程图  127-128
  5．8 应力/应变计算程序检验  128-131
  5．9 小结  131-133
第六章淬火过程温度、相变和应力的耦合分析  133-156
  6．1 引言  133-135
  6．2 耦合分析程序流程框图  135-136
  6．3 耦合分析有限元模型  136-137
  6．4 温度、相变及应力应变耦合分析  137-149
    6．4．1 温度场的模拟  137-139
    6．4．2 组织场的模拟  139-142
    6．4．3 应力/应变场模拟  142-149
      6．4．3．1 温度变化引起的残余应力  142-144
      6．4．3．2 相变引起的残余应力  144-145
      6．4．3．3 不考虑相变塑性的淬火残余应力  145-147
      6．4．3．4 考虑相变塑性的淬火残余应力  147-149
  6．5 弹塑性区域的演变  149-151
  6．6 淬火零件的变形  151-153
  6．7 小结  153-156
第七章气体淬火工艺参数的优化  156-187
  7．1 引言  156-157
  7．2 曲面响应模型  157-158
  7．3 回归模型的方差分析  158-160
  7．4 逐步回归分析  160-161
  7．5 气体淬火工艺及工艺参数评估  161-166
    7．5．1 气体淬火技术  161-162
    7．5．2 有限元模型  162-163
    7．5．3 目标函数的建立  163
    7．5．4 工艺参数评估  163-166
  7．6 阶段性换热系数模型  166-175
    7．6．1 设计变量的确定  166-167
    7．6．2 Box-Behnken实验设计  167-168
    7．6．3 响应曲面的拟合  168-171
    7．6．4 优化目标函数的建立  171
    7．6．5 工艺参数的优化结果  171-175
  7．7 区域性换热系数模型  175-184
    7．7．1 设计变量的确定  175-176
    7．7．2 中心复合实验设计  176-177
    7．7．3 响应曲面的拟合  177-180
    7．7．4 优化目标函数的建立  180
    7．7．5 工艺参数的优化结果  180-184
  7．8 小结  184-187
第八章结论与展望  187-193
  8．1 结论  187-191
  8．2 展望  191-193
参考文献  193-204
致谢  204-205
攻读博士学位期间完成的论文  205-206
攻读博士学位期间参与的科研项目  206
攻读博士学位期间的获奖情况  206

淬火过程有限元模拟关键技术及工艺参数优化的研究

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