Deform-3d熱處理模擬操作

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)Deform-3d熱處理模擬操作熱處理工藝在機(jī)械制造中占有十分重要的地位。隨著機(jī)械制造現(xiàn)代化和熱處理質(zhì)量管理現(xiàn)代化的發(fā)展，對(duì)熱處理工藝提出了更高的要求。熱處理工藝過(guò)程由于受到加熱方式、冷卻方式、加熱溫度、冷卻溫度、加熱時(shí)間、冷卻時(shí)間等影響，金屬內(nèi)部的組織也會(huì)發(fā)生不同的變化，因此是個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，同時(shí)工藝參數(shù)的差異，也會(huì)造成熱處理加工對(duì)象硬度過(guò)高過(guò)低、硬度不均勻等現(xiàn)象。Deform-3d軟件提供一種熱處理模擬模塊，可以幫助熱處理工藝員，通過(guò)有限元數(shù)值模擬來(lái)獲得正確的熱處

2、理參數(shù)，從而來(lái)指導(dǎo)熱處理生產(chǎn)實(shí)際。減少批量報(bào)廢的質(zhì)量事故發(fā)生。熱處理模擬，涉及到熱應(yīng)力變形、熱擴(kuò)散和相變等方面，因此計(jì)算很復(fù)雜，軟件采用牛頓迭代法，即牛頓-拉夫遜法進(jìn)行求解。它是牛頓在17世紀(jì)提出的一種在實(shí)數(shù)域和復(fù)數(shù)域上近似求解方程的方法。多數(shù)方程不存在求根，因此求精確根非常困難，甚至不可能，從而尋找方程的近似根就顯得特別重要。方法使用函數(shù)f(x)的的前面幾項(xiàng)來(lái)尋找方程f(x) = 0的根。牛頓迭代法是求根的重要方法之一，其最大優(yōu)點(diǎn)是在方程f(x) = 0的單根附近具有平方收斂，而且該法還可以用來(lái)求方程的、復(fù)根等。但由于目前Deform-3d軟件的材料庫(kù)只帶有45鋼、15NiCr13和GCr1

3、5等三種材料模型，而且受到相變模型的局限，因此只能做淬火和滲碳淬火分析，更多分析需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。本例以45鋼熱處理淬火工藝的模擬過(guò)程為例，通過(guò)應(yīng)用Deform-3d熱處理模塊，讓讀者基本了解熱處理工藝過(guò)程有限元模擬的基本方法與步驟。1、問(wèn)題設(shè)置點(diǎn)擊“文檔”（File）或“新問(wèn)題”（New problem），創(chuàng)建新問(wèn)題。在彈出的圖框中，選擇“熱處理導(dǎo)向”(heat treatment wizard)，見(jiàn)圖1。圖1設(shè)置新問(wèn)題2、初始化設(shè)置完成問(wèn)題設(shè)置后，進(jìn)入前處理設(shè)置界面。首先修改公英制，將默認(rèn)的英制（English）修改成公制（SI），同時(shí)選中“形變”（Deformation）、“擴(kuò)散”(Di

4、ffusion)和“相變”(Phase transformation)，見(jiàn)圖2。圖2初始化設(shè)置3、輸入幾何體在工件幾何體輸入對(duì)話(huà)框內(nèi)，選擇從數(shù)據(jù)庫(kù)或關(guān)鍵文件夾（Import from a geometry,. Key or DB file）中輸入，見(jiàn)圖3。輸入的文件必須是STL格式的，見(jiàn)圖4。圖3輸入幾何體圖4選擇幾何體文件4、網(wǎng)格劃分工件輸入后，可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分。這里取網(wǎng)格數(shù)8000；表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(Structured surface mesh)中，層的數(shù)量取1；層厚度(Layer thickness)為0.005；厚度模式(Thickness mode)取與外形尺寸成比例（Ratio to

5、 overall dimension），見(jiàn)圖5。*其實(shí)層厚度是默認(rèn)好的，點(diǎn)擊圖標(biāo)，就會(huì)顯示默認(rèn)的數(shù)據(jù)，然后點(diǎn)擊“OK”，完成設(shè)置，見(jiàn)圖6。網(wǎng)格生成后的工件三維圖形見(jiàn)圖7。圖5網(wǎng)格劃分圖6層厚度設(shè)置圖7網(wǎng)格生成后的工件三維圖形5、材料設(shè)置1）選擇從數(shù)據(jù)庫(kù)或關(guān)鍵文件夾（Import from .DB or .KEY files）中輸入，見(jiàn)圖8。由于數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)鍵文件夾尚未建立，因此在選擇從數(shù)據(jù)庫(kù)或關(guān)鍵文件夾選項(xiàng)后，不要直接點(diǎn)下一步，而是點(diǎn)擊高級(jí)（Advanced）,這時(shí)會(huì)彈出材料設(shè)置對(duì)話(huà)框，見(jiàn)圖9。圖8材料輸入圖9材料設(shè)置2）在材料設(shè)置對(duì)話(huà)框中點(diǎn)擊從材料庫(kù)中加載（Load from lib.）。并在

6、彈出的對(duì)話(huà)框中選擇“Steel”,“AISI-1045_Heat Treatment”,類(lèi)似國(guó)產(chǎn)45鋼，并加載，見(jiàn)圖10。加載后，材料列表中會(huì)顯示材料型號(hào)以及相變名稱(chēng)，這里顯示的是45號(hào)鋼以及奧氏體、珠光體和馬氏體，見(jiàn)圖11。圖10選擇鋼號(hào)圖11加載后的材料列表3）輸出材料保存到關(guān)鍵文件夾。點(diǎn)擊輸出（Export），在關(guān)鍵文件夾中選擇材料并保存，見(jiàn)圖12。圖12保存到關(guān)鍵文件夾4）打開(kāi)保存到關(guān)鍵文檔中的材料并加載，完成材料的設(shè)置，見(jiàn)圖13。圖13完成材料設(shè)置(to be continued)6、工件初始化設(shè)置在工件初始化對(duì)話(huà)框中，將溫度(Temperature)、原子(Atom)、相體積分?jǐn)?shù)(

7、Phase volume fraction) 均選擇為均勻（Uniform）。并將溫度設(shè)置為“20”；原子為“0.44”；將馬氏體(Martensite)的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為“1”，見(jiàn)圖14。*原子百分比設(shè)置這里指含碳量?？梢詮牟牧闲阅鼙碇械拿枋觯―escription）一欄中查到，見(jiàn)圖10。圖14 初始化設(shè)置7、介質(zhì)的詳細(xì)設(shè)置介質(zhì)設(shè)置的界面見(jiàn)圖15，這里的介質(zhì)主要有加熱爐和水。圖15 介質(zhì)設(shè)置界面1）加熱爐設(shè)置：點(diǎn)擊“加號(hào)”，在彈入的框中用英語(yǔ)填寫(xiě)“Heating Furnace”，然后點(diǎn)擊“OK”完成設(shè)置，見(jiàn)圖16。圖16 加熱爐設(shè)置2）加熱爐參數(shù)設(shè)置：點(diǎn)擊“減號(hào)”，去掉“Media 1”，將

8、熱傳遞系數(shù)（Heat transfer coefficient）改成0.1，選中輻射“Radiation”見(jiàn)圖17。圖17 加熱爐參數(shù)設(shè)置3）添加介質(zhì)水：點(diǎn)擊“加號(hào)”，在彈出的圖框中填寫(xiě)“water”,將默認(rèn)的熱傳遞系數(shù)修改為“7”，取消選擇輻射，見(jiàn)圖18。圖18 介質(zhì)水的設(shè)置4）添加區(qū)域1（Zone1）在區(qū)域設(shè)置欄中，點(diǎn)擊“添加”，會(huì)自動(dòng)生成“Zone1”，見(jiàn)圖19。圖19 添加區(qū)域15）寫(xiě)入對(duì)流系數(shù)在常數(shù)（Constant）項(xiàng)的下拉菜單中，選擇與溫度關(guān)聯(lián)“f(temp.)”，見(jiàn)圖20。寫(xiě)入對(duì)流系數(shù)(Convection coefficient)，具體見(jiàn)圖21。圖20 選擇f(Temp)圖2

9、1 溫度與對(duì)流系數(shù)設(shè)置TemperoratureConvection Coefficient202.12502.85006.87504.010002.58、工藝程序設(shè)置工藝程序設(shè)置包括，持續(xù)加熱（冷卻）時(shí)間、介質(zhì)、溫度等參數(shù)設(shè)置。這里設(shè)置了三個(gè)階段，分別為預(yù)熱階段升溫階段和冷卻淬火階段，其中預(yù)熱和升溫介質(zhì)為加熱爐（Heating furnace），冷卻淬火介質(zhì)為水(Water)。1）預(yù)熱階段：溫度550C，持續(xù)加熱時(shí)間1800秒；2）升溫階段：溫度900C，持續(xù)加熱時(shí)間7200秒；3）冷卻階段：溫度20C，持續(xù)冷卻時(shí)間600秒。同時(shí)在開(kāi)始操作（Start operation）欄目中，選擇“2”

10、。詳見(jiàn)圖22。圖22 工藝程序設(shè)置9、模擬控制設(shè)置模擬控制對(duì)話(huà)框見(jiàn)圖23。按默認(rèn)好的步數(shù)定義為“自動(dòng)”，每步溫度變化為“5”，每步時(shí)間最大最小為“0.001”和“10”，步數(shù)增量為“10”。附加邊界條件中由于沒(méi)有考慮對(duì)稱(chēng)設(shè)置，因此欄目保存空白，見(jiàn)圖23。在固定節(jié)點(diǎn)邊界條件設(shè)置中，選擇點(diǎn)擊“自動(dòng)設(shè)置（Auto）”，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)固定節(jié)點(diǎn)邊界條件已添加的回答，點(diǎn)擊“OK”、完成固定節(jié)點(diǎn)邊界條件設(shè)置，見(jiàn)圖24。然后再點(diǎn)擊“Finish”，出現(xiàn)圖25的回答，大意是數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)鍵文件等已成功創(chuàng)建，請(qǐng)退出并回到主窗口進(jìn)行模擬運(yùn)行。圖23 模擬控制圖24 固定節(jié)點(diǎn)邊界條件已經(jīng)添加提示圖25 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)文件已經(jīng)成功

11、提示(to be continued)10、模擬和后處理在主窗口課題目錄（Directory）中，選擇需要模擬的文件，然后在模擬器(Simulator)欄目中，點(diǎn)擊運(yùn)行（Run）,開(kāi)始模擬。模擬進(jìn)行狀況可以從信息（Message）窗口觀察到。圖26 模擬運(yùn)行模擬達(dá)到指定的步數(shù)或時(shí)間后模擬停止，這時(shí)點(diǎn)擊退出圖標(biāo)，退出模擬。再次打開(kāi)主窗口，在目錄欄中選中課題，然后在后處理器中點(diǎn)擊“Deform-3d Post”進(jìn)入后處理窗口。熱處理模擬的后處理窗口應(yīng)包括以下內(nèi)容：（1）圖形顯示窗口（2）步數(shù)選擇和動(dòng)畫(huà)播放器（3）圖形狀態(tài)選擇按鈕（4）圖形位置控制按鈕（5）狀態(tài)變量選擇與分析按鈕熱處理模擬的后處理分

12、析：1、加熱和冷卻過(guò)程動(dòng)畫(huà)播放為了播放加熱和冷卻過(guò)程的動(dòng)畫(huà)，應(yīng)先在狀態(tài)變量選擇菜單內(nèi)，選擇溫度（Temperature），然后再點(diǎn)擊播放器，在顯示窗口觀察加熱和冷卻的變化過(guò)程。見(jiàn)圖27。圖27 加熱和冷卻過(guò)程模擬2、加熱和冷卻溫度分布均勻度分析1）剖切零件為了分析溫度分布均勻度，需要將工件剖切。可以應(yīng)用剖切（Slicing）分析工具，將對(duì)話(huà)框中的模式選為“1Point+Normal”，在輸入欄內(nèi)，將P行的X坐標(biāo)值修改成“1”，點(diǎn)擊“OK”完成零件的剖切。* 如果要盡可能在圓柱體的中心位置進(jìn)行剖切，就需要進(jìn)行中心點(diǎn)的坐標(biāo)。默認(rèn)的P點(diǎn)Y、Z軸的坐標(biāo)為“0”，因此只要計(jì)算X軸的坐標(biāo)點(diǎn)就可以了，一種方

13、法采用拉動(dòng)圖標(biāo)下方的滑標(biāo)，大致放在中間位置即可。要精確定位，需要通過(guò)計(jì)算，可以根據(jù)滑尺兩端的數(shù)字相加后除2。本例計(jì)算如下：(-35.934+16.054）/2 = -9.94，見(jiàn)圖28、圖29。圖28 剖切設(shè)置圖29 剖切后的零件2）定點(diǎn)跟蹤設(shè)置點(diǎn)擊“定點(diǎn)跟蹤分析”（Point tracking）按鈕，彈出的對(duì)話(huà)框見(jiàn)圖30。圖30 定點(diǎn)跟蹤設(shè)置對(duì)話(huà)框沿工件剖面的對(duì)角線(xiàn)選擇幾個(gè)點(diǎn)，如圖31的P1、P2、P3。圖31 選擇跟蹤點(diǎn)這時(shí)，在定點(diǎn)跟蹤設(shè)置對(duì)話(huà)框內(nèi)自動(dòng)會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，見(jiàn)圖32。點(diǎn)擊 “Next”和“Finish”完成跟蹤設(shè)置。圖32 定點(diǎn)跟蹤設(shè)置3）溫度均勻度分析在狀態(tài)變量菜單中選擇溫度，在窗口即會(huì)顯示溫度的定點(diǎn)跟蹤曲線(xiàn)，見(jiàn)圖33。圖33 溫度的定點(diǎn)跟蹤曲線(xiàn)從曲線(xiàn)中可以分析，三個(gè)點(diǎn)的溫度基本是一致的，這是由于工件尺寸較小，加熱保溫時(shí)間充足造成的。圖34顯示的是較大尺寸工件的定點(diǎn)跟蹤曲線(xiàn)，三個(gè)點(diǎn)的溫度明顯產(chǎn)生差別。圖35為較大工件的溫度均勻度定點(diǎn)跟蹤曲線(xiàn)，圖36顯示的是較大尺寸工件冷卻時(shí)，剖面上溫度均勻度分布狀況。圖34 溫度分布的定點(diǎn)跟蹤圖35 溫度均勻度分析3、殘余應(yīng)力的定點(diǎn)跟蹤分析熱處理淬火后會(huì)留有殘余應(yīng)力，嚴(yán)重的話(huà)，會(huì)造成零件變形。圖36是等效殘余應(yīng)力定點(diǎn)跟蹤分析曲線(xiàn)，最大殘余應(yīng)力位于零件表面。圖36 殘余應(yīng)力定點(diǎn)跟蹤分析