PDF《热处理数学模型与计 算机模拟》

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0 0 3年 5月 第 5卷第 5期中国工程 科学En l ~ i ne e r i n l z S c i e n c e M a y

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03 Vo

1 .

5 No.

5 学术论- 文热处理数学模 型与计 算机模 拟 潘健 生 ,张伟 民 ,田 东 ,顾 剑锋 ,胡 明娟 (

1 . 上海交通 大学,上 海200030;

2 . 上海大众汽 车有限公 司 ,上海

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0 5 ) [ 摘要]热处理计算机模拟是热处理智能化的基础.采用三维非线性有限元模型和界面条件突变的处理方法 实现 了几种 复杂形状零 件在复杂的淬 火操 作过 程中温 度场 、相变 、应力 和应 变的模 拟 ,模 拟结 果与实 测结 果基 本相符 .将 气体渗碳 的计算机模拟 与计算机控制 技术 相结合 ,研制 成功 智能 型密封 多用 炉 自动生 产线 .已处理 渗碳件

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0 0炉次 以上 ,全部合格 .计算 机模拟技术 的应用明显提 高渗碳和渗 氮零 件的承载能 力和可靠性 ,减少 热 处理变形 ,缩 短渗碳时间 .建议 将机械产 品的 C AD、选材与热 处理的 C A E和产 品可 靠性的动 力评估技 术相结 合 ,进行高可 靠而又无冗余 的产品设计 . [ 关键词 ] 热处理;

数学模型;

计算机模拟;

智能化 [ 中图分类号]T G I

5 ;

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4 2 ;

T P I

8 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1

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9 ―1

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2 (

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0 3 )

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1 导言热处理是保证产 品的内在质量 ,提高其承载能 力 、使用寿命 和可靠性 的关键 ,但热处理过程中一 系列 复杂的现象 难以直接 观察 和 直接 测量 , 以致 常 常出现零件 的使用可靠性得不到保证 ,或者因为没 有充分发挥材料的潜力而增大产品的质量和体积等 不 良后 果 ,成 为制约 整个 制 造业 水平的瓶 颈.借助电子计算机将材料学 、传热学 、弹塑性力 学 、流体力学 和数学 等多学科 的理论 知识加 以集 成 ,建 立定 量描述热 处理 过程中各 种现 象 及其 相互 作用的数学模型 ,就有可能通过计算机模拟获得对 整个工艺过程的规律性认识 ,使热处理质量的精确 控制和工 艺优化成 为 可能 ,并有助于开 发创 新 性工 艺和设 备.因此热处理数学模 型和计算机模拟是发 展智能型 ( 知识密集型)热处理技术的基础 ,成为 当前 国际 热处 理领域的发 展前 沿¨-

3 J .

2 回顾早在20世纪

7 0年代 已有 人研 究热 处理的组织 转变、应 力和应变行为l4J.8 0年代先后建立了温度一相变耦合 以及温度一相变一应力三者耦合的数 学模型L

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5 j ,如图l所示 .图中① 表示温度场 对相变的作用 ;

②表示相变潜 热对 温 度场 的作 用;

③ 表示温度场 对应力场 的作用 ;

④ 表 示在 相变 发 生时 引起 组织应力 ;

⑤ 表示应力场对相变进展速度(相变动力学 )的影 响;

⑥表示应力场对温度场 的作用.图1加热 或冷 却过 程 中温 度 场一 相变一应力场 三者 耦 合示 意图Fi g.

1 C o u p l e d r e l a t i o n s h i p b e t we e n t e mp e r a t u r e f i e l d― ― s t r e s s f i e l d― p h a s e t r a n s f o r m a t i o n d u r i n g h e a t i n g o r c o o l i n g 【 收稿 日期】

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0 2―1

1 ―2

5 ;

修回 日期

2 0

0 2―1 2―3

0 【 作者 简介】 潘健生 (

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3 5一) ,男 ,广东 番禺市人 ,中国工程院院士 ,上海交通 大学教授 ,l g~t t~ 维普资讯 http://www.cqvip.com

4 8 中 国工 程科 学第5卷 经过各国学者的不断努力 ,热处理数学模型和 计算 机 模拟 研 究取 得 了很 大进 展 ,求 解 非线 性 瞬态 温度 场的数值方法已相当成 熟_6],非 等温的连续冷却或 加热的相 变计 算 、温 度 场一 相 变耦 合模 型等研究成果为相变过程的计算机模拟创造了条件.8.在热应力与组织应力的计算方面 ,近年来 采用 有 限单 元法 和 热弹 塑性 模型,在 应 变量 计算 中 考虑 了弹性 应变、塑性 应变、热 应变、相变 应 变和 相 变超 塑性 ,在塑 性 区处 理 中考 虑 了屈 服模 型和应变强化 _