轧钢机轴淬火的有限元分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

研究轧钢机轴淬火的有限元分析主要是因为轴的断裂与其显微组织和力学性能等有关，它们都受到热处理过程的影响。对于这种尺寸大的零件，实验分析方法受到诸多因素的限制，采用数值模拟分析方法更具合理性。热处理过程直接决定了显微组织、应力、应变和变形。因此，正确分析热处理过程对于指导工艺的制定、显微组织分析、残余应力分析以及变形分析具有非常重要的意义。通过数值模拟可以研究热处理引起的热、力和冶金变化，猜测变形和残余应力的能力，有助于产品开发职员选择最合适的方法并更正确地猜测性能。将模拟过程集成到产品设计系统，可以减少从产品设计到投进生产所需的时间，降低生产本钱、减少返修，进一步提高生产效率。轧钢机轴淬火的有限元分析能够对产品质量有重要影响的工艺行为进行验证，将有助于改进产品的设计，加深对热处理工艺的了解，从而选择优化的工艺。

国外对工件淬火过程温度场的计算比较早。70年代，前苏联，日本等工业国就已经借助传热学和相变动力学开始编制温度场的计算程序了。到了80年代，已经发展了一批非稳态温度场的计算机程序，80年代末，随着精确预报相变模型的形成和有限元技术的成熟，在淬火冷却过程的温度场计算中考虑了相变潜热，物性参数随温度变化等因素的影响，90年代以来，由于计算机处理能力的提高，温度场计算中最难处理的非线性问题逐步被解决。冷却过程的数值模拟技术在我国发展较晚。80年代中期，上海重机厂等单位开始采用有限差分法，对大型轧辊淬火冷却过程温度场进行了计算，尽管从数学模型，物性参数，换热系数等都进行了大量的简化，但是在计算结果的总体趋势上还是非常有意义的，80年代末,清华大学等单位采用有限单元法对大型轧辊和电机转子淬火冷却过程的温度场，组织场及应力场进行了模拟计算，并根据模拟计算结果对工艺提出了有益的意见，近年来，北京机电所和上海交大等单位合作对界面剧变的淬火条件进行数值模拟研究，在换热系数和对温度场的数值模拟方面取得了很大的成果。郑州机械研究所等单位在该研究领域也都取得了一定的研究成果。目前，淬火过程的数值模拟正逐渐向淬火剂流场-淬火工件温度场-淬火工件组织场-淬火工件应力应变场的相互耦合的模拟计算过渡。同时，在计算过程中对物性参数非线性问题处理的认识和研究需要不断的深入，总体上来讲，我国的淬火过程数值模拟和国外相比，无论在理论研究方面还是在工业应用方面都存在着一定的差距。

本工作对该轴的淬火冷却进行有限元数值模拟，并对其热处理工艺提出改进意见，供厂家参考。不仅仅是一个验证的过程也是一个学习和改进的过程，对于以后的发展也是有基础意义的。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容

某轧钢机轴在使用时过早发生断裂，不仅带来比较大的直接经济损失，而且给生产的正常进行带来很大的影响。从初步的失效分析判断，该轴的断裂与其显微组织和力学性能等有关，它们都受到热处理过程的影响。对于这种尺寸大的零件，实验分析方法受到诸多因素的限制，采用数值模拟分析方法更具合理性。本工作对该轴的淬火冷却进行有限元数值模拟，并对其热处理工艺提出改进意见，供厂家参考。

技术方案

3. 研究计划与安排

进度安排

第1-3周：查阅相关文献，完成开题报告。

第4-5周：确定数值模拟的建模和热分析方案，并熟悉相关软件。

4. 参考文献（12篇以上）

4、参考文献 [1] P. Carlone , G.S. Palazzo, R. Pasquino Finite element analysis of the steel quenching process:Temperature field and solid- solid phase change[J].Computers and Mathematics with Applications 2010 (59) 585-594 [2]K. Babu,T. S. Prasanna Kumar.Comparison of Austenite Decomposition Models During Finite Element Simulation of Water Quenching and Air Cooling of AISI 4140 Steel[J].Metallurgical and Materials Transactions B, 2014,45(4)：1530-1544 [3]F.A.García-Pastor,R.D.López-García,E.Alfaro-López,M.J.Castro-Román.Finite Element Simulation of Steel Quench Distortion- Parametric Analysis of Processing Variables[J].MRS Proceedings, 2012, 1485 ：29-34 [4] 李强，王葛.淬火冷却过程计算机模拟研究的现状及发展趋势[J].重型机械.2001(6): 4-7 [5] 杨汇涛,韩振兴.加权变系数的瞬态导热有限元法[J].航空动力学报.1997(01)：95-97 [6] 纪峥,钟万勰.关于离散热传导物理模型的探讨[J].计算力学学报，1994(4):408-414 [7] 刘细芬,胡义华,黄华艳. 数值模拟技术在汽车覆盖件拉延模具设计中的应用[J].热加工工艺，2011（13）:178-180. [8] 郑钦礼.板料成形中起皱现象的数值模拟研究[J].湖南农机，2013（3）:113-114. [9] 李辉平,赵国群,王广春,栾贻国.热处理淬火工艺温度场有限元模拟[J].航空制造技术.2004(05)：61-63 [10] 李强,王葛,陈乃路.淬冷过程工件温度场的计算机模拟与实验[J].燕山大学学报.2002，26(04):297-300 [11] 马向平,骆清国.瞬态温度场有限元法求解的研究[J].装甲兵工程学院学报.2002，16(02):22-26 [12] 许志新,何友朗,林金木.二点差分格式对瞬态温度场求解精度的影响[J].湖南大学学报(自然科学版).2002,29(02):58-62 [13] 郑敦胜,王顺兴.二维淬火温度场的数值计算[J].洛阳工学院学报.2000,21(01):18-21 [14] 崔忠圻. 金属学及热处理[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007 [15] 王国强. 实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M]. 西安: 西北工业大学出版社，1999 :166-158 [16] 付斌 等. 火车车轮淬火过程中的温度场[J]. 钢铁研究学报, 2007, 19(9): 46-49 [17] 原思宇,张立文,张国梁,江国栋,裴继斌.大型锻件淬冷过程数值模拟与实验验证[J].大连理工大学学报,2005,45(4):547-551