一种基于ABAQUS对机械构件淬火瞬态温度场的仿真方法

孙建香

摘 要：以煤矿机械中的常见零件为例，通过使用Abaqus软件，采用热物性参数随温度变化的取值形式，对外形较为复杂的该零件的淬火过程进行了有限元计算，得到了该零件随淬火时间的瞬态温度场分布结果。

关键词：煤矿机械 淬火 瞬态温度场

中图分类号：TG156.34 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0225-02

1 瞬态温度场的数学建模

2 瞬态温度场仿真的参数设定

在传统的瞬态温度场模拟时，为了减小计算规模，往往假定零件材料的物理参数为恒定不变值。但得到的仿真结果往往与实际测试得到的结果存在着一定的误差。本文为了严格控制计算精度，将物性参数设定为非线性量，即将热传导系数、比热容等值设为随温度值变化而变化的函数量。本次试验所选用的试件为45钢，淬火液为水，试件的热物性参数变化情况如表1、表2和表3所示。

3 瞬态温度场模拟运算

如图1所示，本次试验的试验零件为一煤矿机械中常用的非标件。其材料为45钢，整体加热至850 ℃进行保温，待其奥氏体化充分后，放入20 ℃的冷却液（水）中进行淬火，模拟其淬火过程的温度场分布。

3.1 仿真前处理

实体建模：由图1所给出的零件尺寸，在Abaqus软件的Part界面内完成零件的实体建模。为了保证运算正确，单位统一为mm。

（2）赋予材料属性：根据实验[1]表明，45钢的密度随温度的变化而改变不大，故将其设为常数。查机械材料手册，得其密度为7833 kg/m3。由于未涉及残余压应力场的分析，故无需提供45钢的弹性模量和泊松比。其CT、k、hc的数据分别按照表1、表2和表3输入，以保证仿真结果的可靠性和真实性。

（3）设置分析步：在Step界面内完成分析步的设定。分析步类型为Heat transfer，且为非线性瞬态分析，时间设定为51s。在Incrementation内的Type选择固定模式，分析步的最多数量设为10000，Increment size输入1，即表示时间步长固定为1s。在场变量结果输出栏内将Thermal打勾即为全选。

（4）设置淬火：在Interaction界面内，选择Create interaction，对流换热系数按照表4所示作为Amplitude输入，由于淬火液是水，故将淬火液温度设定为20℃。淬火区域设定为除了截面以外的所有面。

（5）划分网格：此项工作在Abaqus软件的Mesh界面内完成。单元类型为DC3D20，对于局部部位的网格进行了细化。由于该零件结构为对称结构，故为了减少不必要的运算量，采用1/4结构的有限元运算模型进行计算。

（6）预定义温度场。选取与（4）相同的区域，在Predefined Field Manager里设定初始温度为850 ℃。

3.2 仿真结果及分析

根据仿真计算，得到了零件的淬火过程在51 s内各部位的温度场实时分布。图2至图4分别显示了零件在1 s、10 s和51 s的表面和心部的温度场。从图2可以看出，在淬火到1s时，零件边缘的温度明显降低，而心部的温度依然很高，这是由于轮缘状物体的边缘淬透性很大，仿真结果与实际相符。

随着淬火过程的继续，零件表面的温度继续明显降低，但温降速率逐渐被心部温降的速率所超过。图5是所关心的A至E点在淬火过程中的温度值曲线。A点处于零件轮缘外交线上，所以在淬火一开始时，温度下降极为明显；C点和D点之间之所以差别比较明显，是因为零件内部热源的补充，使得温降速度不一致。

参考文献

[1] 马仙.淬火过程数值模拟研究进展[J].兵器材料科学与工程，1999（3）：59-63：.

[2] 殷雯，雷宏.对称钢件淬火过程温度场分布的数值模[J].集美大学学报，1998（3）：55-57.endprint

摘 要：以煤矿机械中的常见零件为例，通过使用Abaqus软件，采用热物性参数随温度变化的取值形式，对外形较为复杂的该零件的淬火过程进行了有限元计算，得到了该零件随淬火时间的瞬态温度场分布结果。

关键词：煤矿机械 淬火 瞬态温度场

中图分类号：TG156.34 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0225-02

1 瞬态温度场的数学建模

2 瞬态温度场仿真的参数设定

在传统的瞬态温度场模拟时，为了减小计算规模，往往假定零件材料的物理参数为恒定不变值。但得到的仿真结果往往与实际测试得到的结果存在着一定的误差。本文为了严格控制计算精度，将物性参数设定为非线性量，即将热传导系数、比热容等值设为随温度值变化而变化的函数量。本次试验所选用的试件为45钢，淬火液为水，试件的热物性参数变化情况如表1、表2和表3所示。

3 瞬态温度场模拟运算

如图1所示，本次试验的试验零件为一煤矿机械中常用的非标件。其材料为45钢，整体加热至850 ℃进行保温，待其奥氏体化充分后，放入20 ℃的冷却液（水）中进行淬火，模拟其淬火过程的温度场分布。

3.1 仿真前处理

实体建模：由图1所给出的零件尺寸，在Abaqus软件的Part界面内完成零件的实体建模。为了保证运算正确，单位统一为mm。

（2）赋予材料属性：根据实验[1]表明，45钢的密度随温度的变化而改变不大，故将其设为常数。查机械材料手册，得其密度为7833 kg/m3。由于未涉及残余压应力场的分析，故无需提供45钢的弹性模量和泊松比。其CT、k、hc的数据分别按照表1、表2和表3输入，以保证仿真结果的可靠性和真实性。

（3）设置分析步：在Step界面内完成分析步的设定。分析步类型为Heat transfer，且为非线性瞬态分析，时间设定为51s。在Incrementation内的Type选择固定模式，分析步的最多数量设为10000，Increment size输入1，即表示时间步长固定为1s。在场变量结果输出栏内将Thermal打勾即为全选。

（4）设置淬火：在Interaction界面内，选择Create interaction，对流换热系数按照表4所示作为Amplitude输入，由于淬火液是水，故将淬火液温度设定为20℃。淬火区域设定为除了截面以外的所有面。

（5）划分网格：此项工作在Abaqus软件的Mesh界面内完成。单元类型为DC3D20，对于局部部位的网格进行了细化。由于该零件结构为对称结构，故为了减少不必要的运算量，采用1/4结构的有限元运算模型进行计算。

（6）预定义温度场。选取与（4）相同的区域，在Predefined Field Manager里设定初始温度为850 ℃。

3.2 仿真结果及分析

根据仿真计算，得到了零件的淬火过程在51 s内各部位的温度场实时分布。图2至图4分别显示了零件在1 s、10 s和51 s的表面和心部的温度场。从图2可以看出，在淬火到1s时，零件边缘的温度明显降低，而心部的温度依然很高，这是由于轮缘状物体的边缘淬透性很大，仿真结果与实际相符。

随着淬火过程的继续，零件表面的温度继续明显降低，但温降速率逐渐被心部温降的速率所超过。图5是所关心的A至E点在淬火过程中的温度值曲线。A点处于零件轮缘外交线上，所以在淬火一开始时，温度下降极为明显；C点和D点之间之所以差别比较明显，是因为零件内部热源的补充，使得温降速度不一致。

参考文献

[1] 马仙.淬火过程数值模拟研究进展[J].兵器材料科学与工程，1999（3）：59-63：.

[2] 殷雯，雷宏.对称钢件淬火过程温度场分布的数值模[J].集美大学学报，1998（3）：55-57.endprint

摘 要：以煤矿机械中的常见零件为例，通过使用Abaqus软件，采用热物性参数随温度变化的取值形式，对外形较为复杂的该零件的淬火过程进行了有限元计算，得到了该零件随淬火时间的瞬态温度场分布结果。

关键词：煤矿机械 淬火 瞬态温度场

中图分类号：TG156.34 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0225-02

1 瞬态温度场的数学建模

2 瞬态温度场仿真的参数设定

在传统的瞬态温度场模拟时，为了减小计算规模，往往假定零件材料的物理参数为恒定不变值。但得到的仿真结果往往与实际测试得到的结果存在着一定的误差。本文为了严格控制计算精度，将物性参数设定为非线性量，即将热传导系数、比热容等值设为随温度值变化而变化的函数量。本次试验所选用的试件为45钢，淬火液为水，试件的热物性参数变化情况如表1、表2和表3所示。

3 瞬态温度场模拟运算

如图1所示，本次试验的试验零件为一煤矿机械中常用的非标件。其材料为45钢，整体加热至850 ℃进行保温，待其奥氏体化充分后，放入20 ℃的冷却液（水）中进行淬火，模拟其淬火过程的温度场分布。

3.1 仿真前处理

实体建模：由图1所给出的零件尺寸，在Abaqus软件的Part界面内完成零件的实体建模。为了保证运算正确，单位统一为mm。

（2）赋予材料属性：根据实验[1]表明，45钢的密度随温度的变化而改变不大，故将其设为常数。查机械材料手册，得其密度为7833 kg/m3。由于未涉及残余压应力场的分析，故无需提供45钢的弹性模量和泊松比。其CT、k、hc的数据分别按照表1、表2和表3输入，以保证仿真结果的可靠性和真实性。

（3）设置分析步：在Step界面内完成分析步的设定。分析步类型为Heat transfer，且为非线性瞬态分析，时间设定为51s。在Incrementation内的Type选择固定模式，分析步的最多数量设为10000，Increment size输入1，即表示时间步长固定为1s。在场变量结果输出栏内将Thermal打勾即为全选。

（4）设置淬火：在Interaction界面内，选择Create interaction，对流换热系数按照表4所示作为Amplitude输入，由于淬火液是水，故将淬火液温度设定为20℃。淬火区域设定为除了截面以外的所有面。

（5）划分网格：此项工作在Abaqus软件的Mesh界面内完成。单元类型为DC3D20，对于局部部位的网格进行了细化。由于该零件结构为对称结构，故为了减少不必要的运算量，采用1/4结构的有限元运算模型进行计算。

（6）预定义温度场。选取与（4）相同的区域，在Predefined Field Manager里设定初始温度为850 ℃。

3.2 仿真结果及分析

根据仿真计算，得到了零件的淬火过程在51 s内各部位的温度场实时分布。图2至图4分别显示了零件在1 s、10 s和51 s的表面和心部的温度场。从图2可以看出，在淬火到1s时，零件边缘的温度明显降低，而心部的温度依然很高，这是由于轮缘状物体的边缘淬透性很大，仿真结果与实际相符。

随着淬火过程的继续，零件表面的温度继续明显降低，但温降速率逐渐被心部温降的速率所超过。图5是所关心的A至E点在淬火过程中的温度值曲线。A点处于零件轮缘外交线上，所以在淬火一开始时，温度下降极为明显；C点和D点之间之所以差别比较明显，是因为零件内部热源的补充，使得温降速度不一致。

参考文献

[1] 马仙.淬火过程数值模拟研究进展[J].兵器材料科学与工程，1999（3）：59-63：.

[2] 殷雯，雷宏.对称钢件淬火过程温度场分布的数值模[J].集美大学学报，1998（3）：55-57.endprint