淬火冷却过程三维有限元模拟及工艺参数优化的研究.pdf

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1、山东大学博士学位论文淬火冷却过程三维有限元模拟及工艺参数优化的研究姓名：牛山廷申请学位级别：博士专业：材料加工工程指导教师：赵国群;李辉平20071201山东大学博士学位论文摘要淬火作为改变和提高材料性能的重要手段，在汽车、航空、运输、建筑及其他制造业领域有着广泛而重要的应用。但由于淬火过程是一个复杂的多场耦合过程，传统热处理技术已经不能适应机械工业现代化的要求，应用计算机技术改造热处理已成为当务之急。在这种背景下热处理数学模型与数值模拟技术日益受到重视，已成为当今各国研究开发的热点。上世纪七八十年代以来，计算机技术的迅猛发展，使计算机作为一个强有力的工具在各工程领域获得了越来越广泛的应用，淬

2、火领域也不例外。淬火过程的数值模拟作为一种计算机辅助工艺设计方法，可以优化设计工艺、降低废品率，从而大大提高工作效率。淬火过程计算机模拟技术近年来虽然取得了一些进展，并显示出巨大的优越性，但它仍处于发展阶段，许多重要问题如换热系数测算、温度组织应力耦合分析模型建立等有待于进一步研究，它的潜力也没有真正发挥出来。本文针对上述淬火模拟存在的问题，建立了淬火冷却过程三维温度场、组织转变和应力，应变场的耦合分析模型，提出了基于有限元和最优化方法计算淬火换热系数的方法，把遗传算法引入气体淬火工艺参数优化过程，得到了可以提高淬火质量的淬火工艺参数。具体如下：针对淬火冷却过程温度和组织变化的特点，综合考虑了

3、边界换热系数、相变潜热以及热物性参数等非线性因素的影响，采用c 抖语言编写了求解淬火冷却过程三维温度场的有限元程序。该程序大大减小了通用有限元软件处理淬火过程非线性问题时只能以常数代替所引起的模拟误差。提出了相变潜热的计算与处理方法，把相变潜热作为每个单元的内热源进行处理，并迭代求解至收敛，提高了温度场的计算精度。编写了模拟相交过程和组织转变的程序。研究了网格细化、动态时间步长和集中热容矩阵对求解温度场时出现的数值振荡问题的影响，计算结果表明：在时间步长选择合适的情况下，集中热容矩阵能够很好地解决数值振荡问题；如果不进行集中热容矩阵，无论是细化网格还是减小时间步长，其解决数值振荡问题的效果都不

4、好。但是集中热容矩阵造成边界节点的温度曲线与解析解的误差较大。自主设计了端部淬火实验工装，对P 2 0 试样进行端部淬火实验，并对试样相应部分进行金相分析及硬度检验，得到了准确的实验数值。建立了I 2 0 钢端部淬火的有限元模型，用本文编写的程序对P 2 0 钢端部淬火实验进行了有限元模拟，得到了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，将这些数据摘要与实验数据进行比较，对有限元模拟程序进行了检验，检验表明本文的有限元程序是准确的、可靠的。结合非线性有限元方法和最优化方法，对淬火冷却过程的反向热传导问题进行了研究。利用文献中的换热系数数据和热物性参数，计算得到淬火零件相应位置的温度

5、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。利用三维非线性有限元方法，以迸退法确定初始搜索区间，结合黄金分割法、逐次二次插值法及其混合法等优化方法，根据已知温度曲线，对淬冷过程反传热中的换热系数的求解时间问题进行了研究。在求解换热系数时，对端淬和全淬的情况进行了比较。由于在两种情况下首先计算换热系数的点选取不同，在端淬情况下所得换热系数与参考值吻合程度好于全淬的情况。自主设计了采集试样内部相应位置处冷却曲线的实验装置及基于I S A 总线的高速数据采集系统，利用该系统采集了P 2 0 钢在2 0 C 和6 0 C 水中冷却时的冷却

6、曲线，根据实验测量的温度曲线利用本文中的有限元模拟程序和最优化程序得到了2 0 和6 0 C 水随淬火件温度变化的换热系数曲线。推导和建立了淬火过程材料处于弹性区、塑性区、过渡区的应力应变关系，并编写了相应的三维有限元模拟程序。根据淬火过程的特点，提出了一种新的计算弹塑性比例方法，并提出了加快弹塑性比例系数收敛速度的方法。计算结果表明；该方法可以明显地加快迭代时弹塑性比例系数的收敛速度，避免产生不收敛现象，而且可以较好的保证计算精度。采用C+语言编写了淬火过程的三维应力应变场的模拟程序。选择1 0 8 0 钢水冷淬火和板的热应力问题两个算例对该程序进行了验证。结果表明，模拟结果与实验结果比较接

7、近，用本文的有限元模拟程序，可以得到比较准确的应力应变值。建立了温度场、组织转变和应力场的三维耦合分析模型。选择轴对称空心圆柱体问题、偏心圆柱筒为研究对象，建立相应的有限元分析模型，研究了其温度场、组织转变和应力场在淬火过程中的变化情况，并将其组织分布情况与实验结果进行了比较。研究了三维偏心圆柱筒由温度引起的初应变、相变引起的初应变及相变塑性对淬火残余应力的影响。把遗传算法引入气体淬火工艺参数优化过程。提出了阶段性换热系数模型，并根据该模型以淬火变形为目标对P 2 0 钢砖型结构件气体淬火工艺进行了优化，以淬火硬度、残余应力等作为评估函数，对优化前后钢件的淬火结果进行了比较，得到了可以提高淬火

8、质量的淬火工艺参数。关键词：淬火；三维有限元法；模拟；换热系数；反传热分析；优化I I山东大学博士学位论文A B S T R A C TA sas i g n i f i c a n tm e a n st oc h a n g ea n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm a t e r i a l s，q u e n c h i n gi su s e dw i d e l yi nt h em a n u f a c t u r i n gf i e l d,s u c ha sa u t o m o b i l e s，a v i

9、a t i o n，t r a n s p o r t a t i o n,a n db u i l d i n g B u tq u e n c h i n gp r o c e s si sac o m p l i c a t e dm u l t i-f i e l dc o u p l e dp r o c e s s t h et r a d i t i o n a lh e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e sa r en o wn o ts u i t a b l et Ot h er e q u e s to fm o d e

10、r n i z a t i o no fm e c h a n i c a li n d u s t r y,a n di ti sau r g e n tt a s kt 0r e f o r mt h eh e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e su s i n gm o d e r nc o m p u t e rt e c h n o l o g i e s A tt N sb a c k g r o u n d，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a tt r e a t m e n

11、 ta n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g i e sa l eg i v e nm u c hr e g a r d s，a n db e c o m et h e h o tt o p i ci nt h ew o r l dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t S i n c e7 0t o8 0l i m e so fl a s tc e n t u r y,c o m p u t e rg a i n e dw i d e l ya p p l i c a t i

12、o ni ne v e r ye n g i n e e r i n g f i e l d a s a p o w e r f u l t 0 0 1 w j t l l t h er a p i dd e v e l o p i n g o f c o m p u t e r t e c h n o l o g i e s,a n dS O i s i n t h e f i e l d o f q u e n c h i n g p r o c e s s A sa k i n d m e t h o d o f c o m p u t e r a i d e d p r o c e s

13、 sd e s i g n,n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fq u e n c h i n gp r o c e s sc a l lo p t i m i z ep r o c e s sd e s i g na n dr e d u c et h er e j e c t i o nr a t e,t h u si m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c ya p p a r e n t l y C o m p u t e rt e c h n o l o g i e sh a v em a d es

14、o m ep r o g r e s sr e c e n t l y,a n dd i s p l a y e dg r e a ts u p e r i o r i t y B u tc o m p u t e rt e c h n o l o g i e ss t i l la r e i nt h ed e v e l o p i n gs t a g e，m a n yp r o b l e m s，s u c ha st h em e a s u r e m e n ta n dc a l c u l a t i o no fh e a tt r a n s f e rc o e

15、f f i c i e n ta n dm o d e lb u i l d i n gc o u p l i n gw i t l lt e m p e r a t u r e，p h a s et r a n s f o r m a t i o na n ds t r e s s，n e e df i l r t h e rr e s e a r c ha n dt h el a t e n tc a p a c i t i e sa r cn o te x p l o i t e dr e a l l y A c c o r d i n gt ot h ea b o v ep r o b

16、 l e m s，am o d e li sb u i l tc o u p l i n gw i t ht e m p e r a t u r e，p h a s et r a n s f o r m a t i o na n ds t r e s s，am e t h o di sb r o u g h tf o r w a r db a s e df i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o dt oc a l c u l a t et h eh e a tt r a n s f

17、 e rc o e f f i c i e 此a n dp r o c e s sp a r a m e t e r si m p r o v i n gg a sq u e n c h i n gq u a l i t i e sa r ca c q u i r e db yi n t r o d u c i n gg e n e t i ca l g o r i t h mi n t ot h eg a sq u e n c h i n gp r o c e s so p t i m i z a t i o n W h i c ha r ea sf o l l o w s：At h r e

18、 e-d i m e u s i o n a ln o n-l i n e a rf i n i t ee l e m e n tp r o g r a mi sd e v e l o p e di nV i s u a lC+p r o g r a ml a n g u a g et os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e I di nt h eq u e n c h i n gp r o c e s s B a s e do na ne x a m p l ew i t ha na n a i y t i c a lr e s u i

19、 t，t h es i m u l a t i o no f t h ep r o g r a md e v e l o pi nt h i sp a p e ri sc o m p a r e dw i t ht h ea n a l y t i c a lr e s u l ta n dt h eA N S Y Ss i m u l a t i o n T h ec o m p a r i s o ns h o w st h ep r o g r a md e v e l o p e di nt h i sp a p e ri sr i g h tT h ei n f l u e n c

20、eo ft h en o n-l i n e a rf a c t o r s，s u c ha ss u r f a c eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t,p h a s et r a n s f o r m a t i o nl a t e n th e a ta n dt h e r m a l-p h y s i c a ip a r a m e t e r s，i si n t e g r a t e di n t ot h ep r o g r a m,a n dt h es i m u l a t i o ne r r o

21、ri sa p p a r e n t l yr e d u c e dw h i c ha r O s ew h e nt h en o n-l i n e a rf a c t o r si sr e p l a c e dw i 也c o n s t a n ti na n a l y s i so f q u e n c h i n gp r o c e s sb yt h ec o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n ts o f tw a r e s T h ec a l c u l a t i o na n dd i s p o s a l

22、o fp h a s et r a n s f o r m a t i o nl a t e n th e a ti sd i s c u s s e d T h ep h a s et r a n s f o r m a t i o nl a t e n th e a ti st r e a t e da st h ei n n e rh e a tS O u r c ei ne v e r ye l e m e n t,a n dt h ei t e r a t i o nm e t h o di su s e dt og a i nt h ec o n v e r g e n c e，t

23、 h u si m p r o v i n gt h ec o m p u t a t i o nI I l摘要p r e c i s i o n P r o g r a mt os i m u l a t ep h a s et r a n s f o r m a t i o ni sw r i t t e n n em e t h o d so fl o c a lm e s sr e f i n e d,d y n a m i ct i m es t e pa n dl u m p e db e a tc a p a c i t ym a t r i xw e r ee m p l o

24、y e dt or e s o l v et h ep r o b l e mo fn u m e r i c a lo s c i l l a t i o nh a p p e n e di nP-：()U I S eo fe v a l u a t i n gt h et e m p e r a t u r ef i e l d I ti si n d i c a t e db yt h er e s u l t st h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l tf i t st h et h e o r e t i cr e s u l tv e r

25、yw e l lw h e nt h eh e a tc a p a c i t ym a t r i xi sl u m p e dw i t ha p p r o p r i a t et i m es t e p；b u ti ft h eh e a tc a p a c i 够m a t r i xw a sn o tl u m p e d，t h ed i f f e r e n c ei So b v i o u sb e t w e e nt h et h e o r e t i cr e s u l ta n dt h es i m u l a t i o nr e s u l

26、 ta c q u i r e db yt h em e t h o do fr e f i n i n gl o c a lm e s sa n dd e c r e a s i n gt h et i m es t e p B u tw i t hh e a tc a p a c i t ym a t r i xl u m p e d，t h ee r r o r so f b o u n dn o d e s t e m p e r a t u r ea r ee n l a r g e db e t w e e ns i m u l a t i o n Sa n dt h e o r

27、e t i cr e s u l t s A ne x p e r i m e n te q u i p m e n to fe n d-q u e n c h i n gi sd e s i g n e di nt h ep a p e r S o m eP 2 0s t e e ls a m p l e sa r eq u e n c h e du s i n gt h en e we x p e r i m e n te q u i p m e n t H R Ch a r d n e s so fs e v e r a ls e c t i o n si nt h e s es a m

28、 p l e si Sm e a s u r e du s i n gt h es e l e m m e t e r,a n dt h en e wp h a s ev o l u m e so fs e v e r a ls e c t i o n si nt h e s es a m p l e sa l em e a s u r e du s i n gt h ev o l u m e t r i cm e t a l l u r g i c a lm i c r o s c o p e F E Mm o d e lo fP 2 0s t e e le n d-q u e n c h

29、i n gi sb u i l ta c c o r d i n gt ot h ee n d-q u e n c h i n gp r o c e s s，a n dt h ee n d q u e n c h i n gp r o c e s so fP 2 0s t e e li ss i m u l a t e du s i n gF E M 卫1 e 取Ch a r d n e s sa n d p h a s ev o l u m e so fs e v e r a ls e c t i o n si nt h eF E Mm o d e la r ea t t a i n e d

30、b yF E Ms i m u l 撕O I Ln er e s u l t so fF E Ms i m u l a t i o na r cc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so fe x p e r i m e n tt oc h e c kt h eF E Mp r o g r a m,t h ec o m p a r i s o ns h o w st h a tt h er e s u l t so fF E Ms i m u l a t i o na r ec o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l

31、 t so fe x p e r i m e n t,a n dt h eF E Mp r o g r a md e v e l o p e di nt h ep a p e ri sd e p e n d a b l ea n da c c u r a t e A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so fq u e n c h i n gp r o c e s s，t h ei n v e r s eh e a tc o n d u c t i o np r o b l e m si nt h eq u e n c h i n gp r o

32、c e s sa r es t u d i e dw i t hn o n-l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n do p t i m i z a t i o nm e t h o d 1 1 1 et e m p e r a t u r ec o o l i n gc u r v e sa r ea c q u i r e dw i t hr e f e r r e db e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dt h et h e r m a lp h y s i c a lp

33、 a r a m e t e r s T h e nt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti sr e t r i e v e db yt h ep r o g r a mw i mF E Ma n do p t i m i z a t i o nm e t h o d sd e v e l o p e di nt h i sp a p e ra c c o r d i n gt oa b o v et e m p e r a t u r ec o o l i n gc u r v e s I ti ss h o w nb yt h e

34、c o m p a r i s o nb e t w e e nt h er e f e r e n c ed a t aa n dt h es i m u l a t i o nt h a t t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tr e t r i e v e dh a sag o o da c c u r a c yt ot h er e f e r r e dd a t aa n dt h ep r o g r a md e v e l o p e di nt h ep a p e ri sr i g h t T h ec o

35、m p u t i n ge f f i c i e n c yo fr e t r i e v i n gt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti nt h ei n v e r s eh e a tc o n d u c t i o np r o b l e mi nt h eq u e n c h i n gp r o c e s si ss t u d i e dw i t ht h r e ed i m e n s i o n a lF E M 耵l ci n i t i a ls e a r c hi n t e r v a

36、 li s 丘x c db yt h er e t r e a tm e t h o df i r s t，a n dt h e nt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti Sr e t r i e v e db vt h eg o l d e ns e c t i o nm e t h o d,t h es u c c e s s i v ep a r a b o l i ci n t e r p o l a t i o nm e t h o da n dt h eh y b r i dm e t h o do ft h et w o

37、m e t h o d s，r e s p e c t i v e l y Ac o m p a r i s o ni sm a d eb e t w e e na ne n d-q u e n c h i n gc a s ea n daf u l l-q u e n c h i n gc a s ed u r i n gr e t r i e v i n gt h eh e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n t D u et ot h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fd i f f e r e n

38、 tp o i n t so f t h es p e c i m e na r er e t r i e v e df i r s ta tt h et w oC a S d$i ti ss h o w nt h a tt h er e t r i e v e d山东大学博士学位论文h e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n ti nt h ee n d q u e n c h i n gc a s ef i t sw i t ht h er e f e r e n c ed a t ab e t t e rt h a nt h a ti nt h ef u l

39、 l-q u e n c h i n gc a s e n 惦c o o l i n gc l l r v e so fP 2 0s t e e li n2 0 Ca n d6 0 Cw a t e ra g ea c q u i r e du s i n gt h ed e s i g n e dh i g h-s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nI S A A c c o r d i n gt ot h e s ec o o l i n gC U l W e s t h eh e a tt r a n s

40、f e rC O e f f i c i e n t so f P 2 0s t e e li n2 0 a n d6 0 w a t e ra r ee v a l u a t e du s i n gt h ep r o g r a md e v e l o p e di nt h ep a p e r 1 1 s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n si ne l a s t i cz o n e。p l a s t i cz o n ea n dt r a n s i t i o nz o n ea 托d e d u c e d,a n dt h

41、ec o r r e s p o n d i n g3 Df i n i t ee l e m e n tp r o g r a mi sw r i t t e n A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fq u e n c h i n gp r o c e s s，an e wm e t h o dt oc a l c u l a t et h ee l a s t o-p l a s t i cr a t i oi sp r e s e n t e d,s oa n dt h em e t h o dt oa c c e

42、 l e r a t et h ec a l c u l a t i o no f e l a s t o-p l a s t i cr a t i o AF E Mp r o g r a mi sd e v e l o p e db a s e do nV i s u a lC+s y s t e m a n dt h ep r o g r a mC a ne v a l u a t et h et e m p e r a t u r ef i e l d s，t h ep h a s et r a n s f o r m a t i o na n dt h es t r e s s s t

43、 r a i nf i e l d so f t h eq u e n c h i n gp r o c e s s U s i n gt h ec o u p l e ds i m u l a t i o nm o d u l e，t h et e m p e r a t u r e,t h ep h a s et r a n s f o r m a t i o na n ds t r e s s s t r a i no fq u e n c h i n gp r o c e s sC a nb ee v a l u a t e db yt h ec o u p l i n gm e t

44、h o d I no r d e rt oc h e c kt h ep r o g r a m，t w oe x a m p l e st h a th a v ea c c u r a t er e s u l t so ra n a l y t i c a lr e s u l t sa r es e l e c t e dt oc o m p a r ew i t hF E Ms i m u l a t i n gr e s u l t su s i n gt h i sp r o g r a m,o n ee x a m p l ei st h ep r o b l e mo f 1

45、 0 8 0s t e e lq u e n c h i n gi nt h ew a t e r,t h eo t h e re x a m p l ei st h ep r o b l e mo ft h e r m a ls t r e s si no n ep l a t e T h ec o m p a r i s o n sb e t w e e nt h es i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t,t h es i m u l a t i o n sa r ec o n s i

46、 s t e n tw i t ht h er e s u l t so f t h e s ee x a m p l e s，a n dt h i sp r o g r a mC a ng a i na c c e p t a b l es t r e s sa n ds t r a i nv a l u e s n 圮c o u p l e da n a l y s i sm o d e li sb u i l t A na x i a lh o l l o wc y l i n d e ra n da ne c c e n t r i ch o l l o wc y l i n d r

47、i c a lt u b ea l ec h o s ea st h er e s e a r c ho b j e c t s T h ea c c o r d i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e li sb u l l d a n dt h ev a r i a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d,p h a s et r a n s f o 咖a t i o na n ds t r e s sf i e l dd u r i n gq u e n c h i n gp r o c e s si ss t

48、u d i e d T h es i m u l a t i o no f t h ef i n a lp h a s ed i s t r i b u t i o ni sc o n t r a s t e dw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t s 1 1 硷e f f e c to fp l a s t i c i t yd u et op h a s et r a n s f o r m a t i o na n dt h ei n i t i a ls t r a i n sd u et ot e m p e r a t u r ea

49、n dp h a s et r a n s f o r m a t i o nt ot h er e s i d u a ls t r e s si nt h eq u e n c h i n gp r o c e s sa r es t u d i e d G e n e t i ca l g o r i t h mi si n t r o d u c e di n t ot h ep r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no fg a sq u e n c h i n g,a n dt h ec o r r e s p o

50、 n d i n gp r o g r a mi sw r o t e T h es t a g g e r e dm o d e lo fh e a tt r a n s f e re o e 伍e i e n ti sb r o u g h tf o r w a r d,a n d a c c o r d i n gt ot h em o d e lt h eg a sq u e n c h i n gp r o c e s so faP 2 0s t e e lb r i c ki so p t i m i z e dw i t ht h eo p t i m i z a t i o n