带轮淬火过程的有限元分析

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1、有限元分析与建模有限元分析与建模 期末论文期末论文题目：题目： 带轮淬火过程热瞬态分析带轮淬火过程热瞬态分析电子科技大学机电学院王小军 200921080167吴 刚 200921080168带轮淬火的瞬态热分析带轮淬火的瞬态热分析一、一、 问题描述问题描述淬火就是将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。 这里我们用有限元的方法分析带轮淬火过程过个部分的温度变化情况。在分析之前首先对带轮初始条件设置一下：（1）设带轮的初始温度为 500 摄氏度，将其突然放进温度为 0的水中，使其完成淬火过程。水的对流系数为 110W/(m2.)。（2）带轮的的零

2、件结构示意图如图 1 所示（图中长度单位为 mm） ，它的三维模型如图 2 所示。图 1 带轮的结构示意图图 2 带轮的三维结构图（3）带轮材料的热性能参数如表 1 所示。表 1 带轮的材料热性能参数 密度 kg/m3导热系数 W/(m*)比热 J/(kg. ) 240070328二、问题的分析二、问题的分析在进行有限元建模之前，首先对一下几个方面进行分析1、 瞬态热分析瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似，瞬态热分析中使用的单元与稳态热分析相同，主要的区别是瞬态分析中的

3、载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷时间曲线分为载荷步。载荷时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步。对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶跃。2、分析模型的选择建立有限元模型时需要考虑的因素很多，不同的问题所需要考虑的侧重点也不一样。但不论什么问题，建模时都应该考虑的两调基本原则：一是保证计算结果的精度，二是要适当控制模型规模。而精度和规模是一对相互矛盾的因素。往往精度非常高时，模型的规模又太大，在建模和分网等过程带来很多麻烦，同时求解也很困难；想要缩小模型的规模又达不到需要的计算精度。所以建模时应根据具体的分析对象、分析要求和分析条件权衡考

4、虑。对带轮分析模型的建立，主要从以下三个方面分析：（1）带轮的结构由上面给出带轮的结构示意图和三维结构图可以知道该带轮的几何形状是严格轴对称的，是相对对称轴的旋转体；（2）边界条件带轮在淬火过程中的边界条件是对称，带轮是整体的受热，对于以轴线的旋转体，温度在各个旋转角度的变化情况是相同的，而且在突然放进0的水中时，带轮的各个角度的部位受温度影响也是一样的；（3）材料带轮的材料是各向同性的，这种条件自然满足。基于以上的几点分析，我们在做有限元分析时没有必要对整个带轮进行分析，只需要对带轮的一部分做分析，就能得到满意的答案。因此，我们选用了整个带轮的 1/16 部分（即 22.5的角度）作为带轮的

5、分析几何模型，如图 3 所示。图 3 带轮热分析的几何模型3、求解的问题带轮的淬火过程是一个热瞬态分析过程，因此我们为了更好了分析出整个淬火过程中带轮整个的温度变化以及带轮各个部位的温度变化情况，我们需要求解以下两个问题：（1）在一分钟和五分钟后带轮的温度场分布情况（2）求出零件图上 A、B、C、D、E 各点温度在整个淬火过程中随时间的变化关系三、带轮瞬态热分析的求解过程三、带轮瞬态热分析的求解过程1、单元类型和材料的定义单元类型是实体（solid） ，这里需要定义两个实体的单元类型:一个是brick 8node 70 和 brick 20node 90，如图 4 所示。图 4 单元类型的定义

6、我们进行的是带轮的热瞬态分析，材料的定义只需要有与热传导有影响的就行了。这里主要的材料就是带轮。前面表 1 给出了材料参数定义。分别设置好带轮材料的导热系数、比热和密度，如图 5 所示。图 5 材料的定义2、模型的创建带轮本身是一个立体的轴对称的实体模型，我们分析的是 22.5的模型。实体模型也相对较大，所以将实体模型缩小 1000 倍在 ansys 中进行建模。在建模时可以分三步：（1）建立带轮轴侧面的平面模型如图 6。 （2）以带轮的轴为中心，旋转 22.5。 （3）选的轴侧面中间的圆槽可以先画一个圆柱，再通过 Booleans 实体减运算的到最后的分析模型。最后的到得分析模型如前面图 3

7、 所示。图 6 带轮的侧面3、网格的划分网格的质量决定了计算的结果精度和计算量的大小。在这里，因为对整个实体分网的网格数比较多，所以采用了低阶的三角线性网格，这样比较经济；在模型的中部，有个半圆柱的影响，棱角变化较明显，淬火过程中温度变化会比较快，所以在分网是将中间部分和两边分别分网：两边的网格边长为 0.025，而中间部分的网格边长较小，设为0.02。最后分网的情况图 7 所示：图 7 分网情况4、建立边界条件并求解将实际工况量化为模型的边界条件是有限元建模的关键环节之一。边界条件是否符合实际，很大程度上决定了计算结果的精度。而热边界条件用于描述结构边界表面与外部的相互热作用规律。在热传导学

8、中包括了温度边界条件、热流边界条件和传热边界条件。这里热瞬态分析，带轮的初始温度为 500，因此所有的结点初始温度为 500。水的对流系数为 110W/(m2.)。水的温度为 0。设定好边界条件后，还应该控制分析的时间，不能一直计算下去。我们研究的是 5 分钟以内的带轮对火过程的热瞬态分析。所以设置“time control”为 300 秒。边界条件都设置好了以后，通过求解命令对建立的模型进行有限元求解。5、查看求解结果（1）1 分钟时和 5 分钟时的温度场分布，分别如图 8 和图 9 所示：图 8 1 分钟时温度场图 9 5 分钟时的温度场分布（2）零件图上 A、B、C、D、E 各点温度随时

9、间的变化关系。分别如 图 10、图 11、图 12、图 13、图 14 所示。图 10 A 点温度变化情况图 11 B 点的温度变化情况图 12 C 点的温度变化情况图 13 D 点的温度变化情况图 14 E 点的温度变化情况四、四、 实验结论实验结论在带轮淬火过程中：(1)带轮的两端的温度变化较快，温度很快就降下来了，最低温度也出现在该部位。而中间的温度变化比较慢，而且最高温度在中间部分。(2)在零件图上 A、B、C、D、E 各点温度随时间变化关系也可以看出，A 点的温度变化最快，其次是 D 点。B 点的温度变化较其他几点是最慢的。习大大的 10 句话，不知道你就 out 了人人都想成功，但

10、光凭埋头苦干是很难达到的。时下热传的的 10 句话 很有道理，它们就像指路明灯，会让你受用一生。 第一句话，结交第一句话，结交“两个朋友两个朋友”：运动场和图书馆。：运动场和图书馆。强健的体魄是成就事业的根基，从现在起，有恒、有序、有度地锻炼，每年 定期体检一次。周末去图书馆，给自己“充充电”。还要会选书，比起武侠 言情 小说，读读心灵 励志 财经类图书好处更多。 第二句话，培养第二句话，培养“两种功夫两种功夫”：一个是本分，一个是本事。：一个是本分，一个是本事。做人靠本分，诚信为本；做事靠本事，才能成长。国人信奉“人无信不立” 的准则。 第三句话，乐于吃第三句话，乐于吃“两样东西两样东西”：

11、吃亏和吃苦。：吃亏和吃苦。常言道，吃亏是福，聪明人能从吃亏中学到智慧。吃苦也是这个道理，身 处逆境时不妨告诉自己，有苦有甜才是人生。第四句话，具备第四句话，具备“两种力量两种力量”：一种是思想的力量，一种是工具的力量。：一种是思想的力量，一种是工具的力量。 比起动物，人更善于用工具达成目的。著名作家周国平在人的高贵在于 灵魂中写道：做一个有思想的人，用自己的思想走完生命的全程，定会精彩 纷呈。 第五句话，追求第五句话，追求“两个一致两个一致”：一个是兴趣与事业一致，一个是爱情与婚姻一致。：一个是兴趣与事业一致，一个是爱情与婚姻一致。明朝思想家王阳明提出“知行合一”，即不仅要认识（“知”） ，更

12、要实践（“行”） 。现代心理学也认为，认知、情感、意志、行为相协调的人，心理才健康。 第六句话，插上第六句话，插上“两个翅膀两个翅膀”：理想和毅力。：理想和毅力。小时候，我们每个人几乎都有理想当警察、医生、科学家但随 着社会变革，许多人的理想慢慢丢了。还要有毅力，从小事做起，一步一步向 前。 第七句话，构建第七句话，构建“两个支柱两个支柱”：科学和人文。：科学和人文。我国著名科学家钱学森说，一个大写的“人”，必须由科学与人文两个支柱 来支撑。我们要不轻信，会求证，做个有“科学精神”的人。同时，具备人文精 神，以人为本，尊重他人。第八句话，配备两个第八句话，配备两个“保健医生保健医生”：一个叫锻

13、炼，一：一个叫锻炼，一 个叫乐观。个叫乐观。不必非去健身房，跑跑步、打打球也能达到运动的目的。培养乐观心态，先换 个积极思维。比如一早被闹钟吵醒，至少说明你没失业；别人的话刺耳，说明 有人注意你。第九句话，记住第九句话，记住“两个秘诀两个秘诀”：一个是健康的秘诀在早上，一个是成功的秘诀在：一个是健康的秘诀在早上，一个是成功的秘诀在 晚上。晚上。早上去锻炼，晚上读书、思考、记日记。爱因斯坦说，人的差异产生于业 余时间。业余时间能成就一个人，也能毁灭一个人。 第十句话，追求第十句话，追求“两个极致两个极致”：一个是把自身潜力发挥到极致，一个是把寿命延：一个是把自身潜力发挥到极致，一个是把寿命延 长

14、到极致。长到极致。名言的后半句1、父母在，不远游原文：原文：子曰：“父母在，不远游，游必有方。 ”论语里仁意思是要是出游，必须要告知去处和理由。点评：点评：不是不让你去啊有木有2、吾生也有涯，而知也无涯原文：原文：出自庄子养生主 。一直被许多人用于鼓舞学习者珍惜时间、努 力学习，在但却忽略后面那一句“以有涯随无涯殆已”。意思简述：用有限的人生追求无限的知识，是必然失败的。点评：点评：就是告诉你你永远做不到的事情就不要强求啊，二货！3、三思而后行原文：原文：“季文子三思而后行。子闻之曰：再，斯可矣。 ”出自论语公冶长现在的人多误解了意思，觉得做事应该想三次甚至更多。点评：点评：老人家的意思是两种

15、角度去考虑问题就 OK 了，不要想太多！Just do it！想来想去的还不行动，墨迹泥煤啊！ 4、酒肉穿肠过，佛祖心中留原文：原文：后半句：世人若学我，如同进魔道。出自道济禅师（活佛济公）之 口。这句话本是一个悲壮的典故：话说明朝张献忠攻打渝城（成都）时，在城 外的庙里驻扎，还强迫寺里和尚吃肉。当时有个叫破山的和尚说：“只要你答应 不屠城，我就吃肉。 ”张献忠答应了，于是破山和尚一边吃，一边念着这句话。 他是为了城里数千百姓的生命才破戒的。济公认为只是大神通圣人在特定情况下，为度众生才吃肉。而济公自己吃 了两只死鸽可以吐出两只活鸽来。如果你也可以做到，尽管吃肉，做不到的话 还是老老实实持戒吧

16、！点评：点评：无知的凡人呐，绝对不要混淆概念，狮子跳的过去的悬崖，兔子去 跳只能摔死。5、老来多健忘原文：原文：老来多健忘，唯不忘相思。白居易偶作寄朗之点评：点评：人家老白是想跟老婆表白浪漫一下说无论老成啥样，神马都不记得 都不会忘了想你，不是说自己老了就痴呆了！你说孩子们怎么就那么不懂事呢？6、闭门造车原文：原文：朱熹四书或问卷五：“古语所谓闭门造车，出门合辙，盖 言其法之同。 ”意思是只要按照同一规格，就算关起们来制造车辆，使用时也能 和路上的车辙完全相同（古代的车两轮之间的距离是固定的，符合规格，就能 合辙。 ） 。点评：点评：宋朝是个推崇法制的时代，朱老也解释的很清楚，古时“闭门造车” 是称赞“出门合辙”的巧妙！不是贬义词呀()7、相濡以沫原文：原文：庄子大宗师：“相濡以沫，不如相忘于江湖。 ”点评：点评：几乎等于白话了果然自古后句出真相！8、人是生而自由的原文：原文：话不多说，客观只要看了全句就懂：“人是生而