热处理工艺设计有限元分析软件

热处热处 理工艺设计艺设计 有限元分析软软件Copyright DCT Inc. 2010ØDANTE是以有限元为基础的热处理工艺模拟商 业化软件.Ø可以精确模拟加热和冷却工艺中的传热过 程.Ø经实验验证 的力学模型、相变模型、渗碳模 型和数据库.Ø可用于模拟液体浸入淬火、气淬淬火、快速淬 火、模具淬火.Ø可用于模拟低温回火热处理工艺.DANTE 热处热处 理工艺艺分析软软件模拟拟分析结结果 • 残余应力 • 碳分布 • 微观结构相分布 • 硬度分布 • 热处理变形预测DANTE® 功能介绍绍残余应应力碳分布怎样应样应 用DANTE®节约节约 制造成本 、提高设计质设计质 量？Ø通过软件来“模拟实验 ”-了解热处 理工艺参数对变 形，残余应力，微观组织 和硬度的 影响 -确定造成热处理变形、缺陷等问题的原因 -排除热处理工艺问题 、改进和优化热处理工艺-优点 -在保证热处 理质量的前提下降低热处理成本，比如渗碳时 间 -节约热处 理零件后加工成本 -提高热处理零件质量Ø热处理零件设计-在零件初始设计阶 段考虑热处 理的影响 -对改新设计 的热处 理过程预测ØDANTE 是经实验验证热处经实验验证热处 理模拟软拟软 件 CAD & Model BuildingDANTE® 模拟拟分析方法微观组织观组织变变形残余应应力DANTE® 模拟拟的典型零件DANTE® 软软件的结结构DANTE: user subroutines link to ABAQUS/STANDARD Ø ABAQUS/CAE is used for model building Ø ABAQUS/Standard is the solver Ø ABAQUS/Viewer is used for post­ processing resultsDANTE Installation DirectoryDANTE Database of Steels: mechanical, thermal and phase transformation data files• Low and medium carbon steels • Low and medium alloy carburizing steels • Low and medium alloy through-hardening steelsDANTE Heat Transfer Database • Furnace Heating Data • Oil Quenching Data • Salt Quenching Data • Gas Quenching Data • Spray Quenching Data • Air Cooling DataDANTE HELP SystemDANTE Subroutines零件热处热处 理模拟拟 分析例子和验证验证AISI 5120 齿轮齿轮 坯油淬火工艺艺模拟拟 油淬火的程序:奥氏体化温度: 870 °C渗碳炉碳势势: 0.85%淬火油温度 (5 min.) : 132 °C空冷至室温齿轮齿轮 坯的尺寸:ID = 35 mm OD = 57 mm Height = 22 mm轴对轴对 称网格: 380 elements2D, Axisymmetric ModelRing with Center Hub渗碳过过程Microprobe vs. SimulationAISI 5120 齿轮齿轮 坯渗碳和油淬火后 模拟预测拟预测 的微观观相分布 (trace across mid-height)AISI 5120 齿轮齿轮 坯渗碳和油淬火后 变变形预测预测Comparison of Predicted & Residual Stress Profiles Calculated from X-RAY and Neutron Diffraction Tests for 5160 Quenched Steel BarsOil Quenched & TemperedIntensively Quenched & Tempered圆圆柱件淬火回火后残余应应力AISI 1045 Steel 带导带导 向槽轴轴形件模拟结拟结 果和实验实验 数据比较较 变变形、硬度、和微观结观结 构曲轴轴件热处热处 理模拟拟During Cooling曲轴热处轴热处 理模拟拟: 温度曲轴热处轴热处 理模拟拟: 奥氏体曲轴热处轴热处 理模拟拟: 切开面奥氏体曲轴热处轴热处 理模拟拟: 变变形预测预测飞飞机起落架热处热处 理变变形模拟预测拟预测飞飞机起落架高度大约约3.5米 材料: 300M飞飞机起落架淬火过过程中的温度场场飞飞机起落架淬火后的预测变预测变 形变变速器输输出轴热处轴热处 理过过程中的温度场场变变速器输输出轴热处轴热处 理过过程中的应应力 场场齿轮经齿轮经 不同淬火工艺艺后的残余应应力10:1 maximum to minimum load ratio Servohydraulic test machine at 40 cps Runout is defined as 107 cycles without failureSchematic of Test Fixturing单齿单齿 疲劳劳强度试验试验单齿单齿 疲劳劳强度试验试验 数据: Benefit of REMIQ ~800 MPa ~120 ksiOQ ~1000 MPa ~148 ksiStress Free ~1600 MPa ~232 ksi Stress State in Test Gear at 1400 lbs. Bending LoadMPa单齿单齿 疲劳载劳载 荷下齿轮应齿轮应 力分布AISI 4150 Oil QuenchAISI 9310 Carburization+ Oil Quench齿轮设计过齿轮设计过 程中考虑虑材料选选取 和热处热处 理工艺艺? 利用残余压应压应 力提高齿齿 轮轮寿命或降低齿轮齿轮 重量齿轮动态齿轮动态 疲劳测试应劳测试应 力重新分布:原设计设计齿轮动态齿轮动态 疲劳测试应劳测试应 力重新分布:优优化设计设计斜锥齿轮锥齿轮 淬火模拟拟:温度和奥氏体斜锥齿轮锥齿轮 淬火模拟拟:最大最小主应应力油孔周围围的温度场场分布不均匀汽车车曲轴轴件感应应淬火过过程模拟拟: 感应应加热热3.0秒后的温度场场奥氏体层层大概 2.5 mm汽车车曲轴轴件感应应淬火过过程模拟拟: 感应应加热热3秒后奥氏体分布汽车车曲轴轴件感应应淬火过过程模拟拟: 冷却过过程中两个关键键位置的内应应力变变化Ø 脱碳后的碳分布Ø 脱碳层层大约约 0.1 mm. 齿轮热处齿轮热处 理过过程中表面脱碳模拟拟About 0.5 mm表面脱碳对对残余应应力及淬火裂纹纹的影响Ø预测预测 的表面拉应应力很浅. 脱碳层层的深度决定表面拉应应力层层的 深度. Ø表面层层的拉应应力可能会造成淬火过过程中或后加工中表面开裂 . Ø表面拉应应力层层的深度大约约是0.3 mm.3D 单齿单齿 模型端面齿轮齿轮 模压压淬火过过程模拟拟Axial Displacement After Press Quench with Load Still Applied • contour plot shows the web bowing downward (red is positive in the downward direction) • the top tooth has expanded upward by 0.24 mm (0.009”) and the bottom tooth has expanded downward by 0.02 mm (<0.001”)Springback as Die Load is Removed • tooth section lifts approximately 2.3 mm (0.090”) after removing the press load and final cooling from the oil temperature of 140F to room temperature.3D 单齿单齿 模型端面齿轮齿轮 模压压淬火过过程模拟拟 (cont.)0.065” springbackWithout ShimmingWith Shimming端面齿轮齿轮 模压压淬火过过程模拟拟 (cont.)端面齿轮齿轮 模压压淬火后预测预测 的残余应应力环环形齿轮齿轮 模压压淬火过过程模拟拟3D 单齿单齿 模型环环形齿轮齿轮 模压压淬火后的变变形Scenario 4 45 seconds air transfer 100 seconds dwellScenario 6 120 seconds air transfer 20 seconds dwellScenario 5 45 seconds air transfer 20 seconds dwell加载载前下模对齿轮对齿轮 冷却的影响热处热处 理后残余应应力预测预测Unit: MPaPress Quench Scenario 4热处热处 理后齿轮齿轮 加工过过程中的变变形DANTE® 模型和数据库库Ø 传热传热 模型: 加热热和冷却热边热边 界 Ø 碳扩扩散模型 Ø 相变变模型 Ø 力学模型利用热电热电 偶数据反求热边热边 界条件ØData Acquisition-Time ­ temperature data from thermocouples ØData Analysis-Using optimization or reverse calculation to determine heat transfer coefficients利用热电热电 偶数据反求热边热边 界条件 (Cont.)碳扩扩散模型ØEstablishes carbon profile within the component during carburizationØMass diffusion model is appliedØModeling furnace gas carburizing processes ­Surface carbon potential following time dependent curve based on a rise to equilibrium carbon levelØModeling vacuum carburizing processes­Surface carbon flux in terms of the carburizing scheduleØCustom kinetics model: -Kinetics based on dilatometry data -Kinetics based on TTT curves -Kinetics based on CCT curves -Kinetics based on Jominy dataØGlobal kinetics model: -The user inputs the chemistry to calculate phase volumes based on cooling path, or to calculate Jominy hardnessØDANTE kinetics predict: -Volume fractions of ferrite, pearlite, bainite, and martensite throughout an arbitrary cooling pathØKinetics verification: -Run DANTE dilatometry model, and compare with the experiments -Run DANTE utilit。