De-3d熱處理模擬操作全解

1、Deform-3d熱處理模擬操作熱處理工藝在機械制造中占有十分重要的地位。隨著機械制造現(xiàn)代化和熱處理質(zhì)量管理現(xiàn)代化的發(fā)展，對熱處理工藝提出了更高的要求。熱處理工藝過程由于受到加熱方式、冷卻方式、加熱溫度、冷卻溫度、加熱時間、冷卻時間等影響，金屬內(nèi)部的組織也會發(fā)生不同的變化，因此是個十分復雜的過程，同時工藝參數(shù)的差異，也會造成熱處理加工對象硬度過高過低、硬度不均勻等現(xiàn)象。Deform-3d軟件提供一種熱處理模擬模塊，可以幫助熱處理工藝員，通過有限元數(shù)值模擬來獲得正確的熱處理參數(shù)，從而來指導熱處理生產(chǎn)實際。減少批量報廢的質(zhì)量事故發(fā)生。熱處理模擬，涉及到熱應力變形、熱擴散和相變等方面，因此計算很復雜

2、，軟件采用牛頓迭代法，即牛頓-拉夫遜法進行求解。它是牛頓在17世紀提出的一種在實數(shù)域和復數(shù)域上近似求解方程的方法。多數(shù)方程不存在求根公式，因此求精確根非常困難，甚至不可能，從而尋找方程的近似根就顯得特別重要。方法使用函數(shù)f(x)的泰勒級數(shù)的前面幾項來尋找方程f(x) = 0的根。牛頓迭代法是求方程根的重要方法之一，其最大優(yōu)點是在方程f(x) = 0的單根附近具有平方收斂，而且該法還可以用來求方程的重根、復根等。但由于目前Deform-3d軟件的材料庫只帶有45鋼、15NiCr13和GCr15等三種材料模型，而且受到相變模型的局限，因此只能做淬火和滲碳淬火分析，更多分析需要進行二次開發(fā)。本例以4

3、5鋼熱處理淬火工藝的模擬過程為例，通過應用Deform-3d熱處理模塊，讓讀者基本了解熱處理工藝過程有限元模擬的基本方法與步驟。1、問題設置點擊“文檔”（File）或“新問題”（New problem），創(chuàng)建新問題。在彈出的圖框中，選擇“熱處理導向”(heat treatment wizard)，見圖1。圖1設置新問題2、初始化設置完成問題設置后，進入前處理設置界面。首先修改公英制，將默認的英制（English）修改成公制（SI），同時選中“形變”（Deformation）、“擴散”(Diffusion)和“相變”(Phase transformation)，見圖2。圖2初始化設置3、輸入幾何

4、體在工件幾何體輸入對話框內(nèi)，選擇從數(shù)據(jù)庫或關(guān)鍵文件夾（Import from a geometry,. Key or DB file）中輸入，見圖3。輸入的文件必須是STL格式的，見圖4。圖3輸入幾何體圖4選擇幾何體文件4、網(wǎng)格劃分工件輸入后，可以進行網(wǎng)格劃分。這里取網(wǎng)格數(shù)8000；表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(Structured surface mesh)中，層的數(shù)量取1；層厚度(Layer thickness)為0.005；厚度模式(Thickness mode)取與外形尺寸成比例（Ratio to overall dimension），見圖5。*其實層厚度是默認好的，點擊圖標，就會顯示默認的數(shù)據(jù)，然后

5、點擊“OK”，完成設置，見圖6。網(wǎng)格生成后的工件三維圖形見圖7。圖5網(wǎng)格劃分圖6層厚度設置圖7網(wǎng)格生成后的工件三維圖形5、材料設置1）選擇從數(shù)據(jù)庫或關(guān)鍵文件夾（Import from .DB or .KEY files）中輸入，見圖8。由于數(shù)據(jù)庫和關(guān)鍵文件夾尚未建立，因此在選擇從數(shù)據(jù)庫或關(guān)鍵文件夾選項后，不要直接點下一步，而是點擊高級（Advanced）,這時會彈出材料設置對話框，見圖9。圖8材料輸入圖9材料設置2）在材料設置對話框中點擊從材料庫中加載（Load from lib.）。并在彈出的對話框中選擇“Steel”,“AISI-1045_Heat Treatment”,類似國產(chǎn)45鋼，并

6、加載，見圖10。加載后，材料列表中會顯示材料型號以及相變名稱，這里顯示的是45號鋼以及奧氏體、珠光體和馬氏體，見圖11。圖10選擇鋼號圖11加載后的材料列表3）輸出材料保存到關(guān)鍵文件夾。點擊輸出（Export），在關(guān)鍵文件夾中選擇材料并保存，見圖12。圖12保存到關(guān)鍵文件夾4）打開保存到關(guān)鍵文檔中的材料并加載，完成材料的設置，見圖13。圖13完成材料設置(to be continued)6、工件初始化設置在工件初始化對話框中，將溫度(Temperature)、原子(Atom)、相體積分數(shù)(Phase volume fraction) 均選擇為均勻（Uniform）。并將溫度設置為“20”；原子

7、為“0.44”；將馬氏體(Martensite)的體積分數(shù)設置為“1”，見圖14。*原子百分比設置這里指含碳量?？梢詮牟牧闲阅鼙碇械拿枋觯―escription）一欄中查到，見圖10。圖14 初始化設置7、介質(zhì)的詳細設置介質(zhì)設置的界面見圖15，這里的介質(zhì)主要有加熱爐和水。圖15 介質(zhì)設置界面1）加熱爐設置：點擊“加號”，在彈入的框中用英語填寫“Heating Furnace”，然后點擊“OK”完成設置，見圖16。圖16 加熱爐設置2）加熱爐參數(shù)設置：點擊“減號”，去掉“Media 1”，將熱傳遞系數(shù)（Heat transfer coefficient）改成0.1，選中輻射“Radiation”

8、見圖17。圖17 加熱爐參數(shù)設置3）添加介質(zhì)水：點擊“加號”，在彈出的圖框中填寫“water”,將默認的熱傳遞系數(shù)修改為“7”，取消選擇輻射，見圖18。圖18 介質(zhì)水的設置4）添加區(qū)域1（Zone1）在區(qū)域設置欄中，點擊“添加”，會自動生成“Zone1”，見圖19。圖19 添加區(qū)域15）寫入對流系數(shù)在常數(shù)（Constant）項的下拉菜單中，選擇與溫度關(guān)聯(lián)“f(temp.)”，見圖20。寫入對流系數(shù)(Convection coefficient)，具體見圖21。圖20 選擇f(Temp)圖21 溫度與對流系數(shù)設置TemperoratureConvection Coefficient202.125

9、02.85006.87504.010002.58、工藝程序設置工藝程序設置包括，持續(xù)加熱（冷卻）時間、介質(zhì)、溫度等參數(shù)設置。這里設置了三個階段，分別為預熱階段升溫階段和冷卻淬火階段，其中預熱和升溫介質(zhì)為加熱爐（Heating furnace），冷卻淬火介質(zhì)為水(Water)。1）預熱階段：溫度550C，持續(xù)加熱時間1800秒；2）升溫階段：溫度900C，持續(xù)加熱時間7200秒；3）冷卻階段：溫度20C，持續(xù)冷卻時間600秒。同時在開始操作（Start operation）欄目中，選擇“2”。詳見圖22。圖22 工藝程序設置9、模擬控制設置模擬控制對話框見圖23。按默認好的步數(shù)定義為“自動”，每

10、步溫度變化為“5”，每步時間最大最小為“0.001”和“10”，步數(shù)增量為“10”。附加邊界條件中由于沒有考慮對稱設置，因此欄目保存空白，見圖23。在固定節(jié)點邊界條件設置中，選擇點擊“自動設置（Auto）”，這時會出現(xiàn)固定節(jié)點邊界條件已添加的回答，點擊“OK”、完成固定節(jié)點邊界條件設置，見圖24。然后再點擊“Finish”，出現(xiàn)圖25的回答，大意是數(shù)據(jù)庫、關(guān)鍵文件等已成功創(chuàng)建，請退出并回到主窗口進行模擬運行。圖23 模擬控制圖24 固定節(jié)點邊界條件已經(jīng)添加提示圖25 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫文件已經(jīng)成功提示(to be continued)10、模擬和后處理在主窗口課題目錄（Directory）中，選擇需要

11、模擬的文件，然后在模擬器(Simulator)欄目中，點擊運行（Run）,開始模擬。模擬進行狀況可以從信息（Message）窗口觀察到。圖26 模擬運行模擬達到指定的步數(shù)或時間后模擬停止，這時點擊退出圖標，退出模擬。再次打開主窗口，在目錄欄中選中課題，然后在后處理器中點擊“Deform-3d Post”進入后處理窗口。熱處理模擬的后處理窗口應包括以下內(nèi)容：（1）圖形顯示窗口（2）步數(shù)選擇和動畫播放器（3）圖形狀態(tài)選擇按鈕（4）圖形位置控制按鈕（5）狀態(tài)變量選擇與分析按鈕熱處理模擬的后處理分析：1、加熱和冷卻過程動畫播放為了播放加熱和冷卻過程的動畫，應先在狀態(tài)變量選擇菜單內(nèi)，選擇溫度（Tempe

12、rature），然后再點擊播放器，在顯示窗口觀察加熱和冷卻的變化過程。見圖27。圖27 加熱和冷卻過程模擬2、加熱和冷卻溫度分布均勻度分析1）剖切零件為了分析溫度分布均勻度，需要將工件剖切?？梢詰闷是校⊿licing）分析工具，將對話框中的模式選為“1Point+Normal”，在輸入欄內(nèi)，將P行的X坐標值修改成“1”，點擊“OK”完成零件的剖切。* 如果要盡可能在圓柱體的中心位置進行剖切，就需要進行中心點的坐標。默認的P點Y、Z軸的坐標為“0”，因此只要計算X軸的坐標點就可以了，一種方法采用拉動圖標下方的滑標，大致放在中間位置即可。要精確定位，需要通過計算，可以根據(jù)滑尺兩端的數(shù)字相加后除2

13、。本例計算如下：(-35.934+16.054）/2 = -9.94，見圖28、圖29。圖28 剖切設置圖29 剖切后的零件2）定點跟蹤設置點擊“定點跟蹤分析”（Point tracking）按鈕，彈出的對話框見圖30。圖30 定點跟蹤設置對話框沿工件剖面的對角線選擇幾個點，如圖31的P1、P2、P3。圖31 選擇跟蹤點這時，在定點跟蹤設置對話框內(nèi)自動會出現(xiàn)點的坐標位置，見圖32。點擊 “Next”和“Finish”完成跟蹤設置。圖32 定點跟蹤設置3）溫度均勻度分析在狀態(tài)變量菜單中選擇溫度，在窗口即會顯示溫度的定點跟蹤曲線，見圖33。圖33 溫度的定點跟蹤曲線從曲線中可以分析，三個點的溫度基本是一致的，這是由于工件尺寸較小，加熱保溫時間充足造成的。圖34顯示的是較大尺寸工件的定點跟蹤曲線，三個點的溫度明顯產(chǎn)生差別。圖35為較大工件的溫度均勻度定點跟蹤曲線，圖36顯示的是較大尺寸工件冷卻時，剖面上溫度均勻度分布狀況。圖34 溫度分布的定點跟蹤圖35 溫度均勻度分析3、殘余應力的定點跟蹤分析熱處理淬火后會留有殘余應力，嚴重的話，會造成零件變形。圖36是等效殘余應力定點跟蹤分析曲線，最大殘余應力位于零件表面。圖36 殘余應力定點跟蹤分析4、