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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

李辉平  
【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


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