焊接转子去应力热处理过程的数值模拟

在焊接转子焊后去应力退火过程中,由于转子尺寸大、传热慢,转子内外温差较大,转子内部实际的温度场难以测试,热处理工艺参数,如加热速率、均温和保温时间、冷却速率等的制订没有可靠依据。采用扩展求解域的耦合换热计算模型,把热处理工件和热处理炉作为一个计算整体,把炉内的流体和固体都作为计算对象建立几何模型,同时考虑热处理炉内的辐射、对流和传导等换热方式,应用Fluent软件计算了热处理炉内气体和焊接转子的温度场,实现了热处理全程温度场的预测,获得了关键点的温度-时间曲线,模拟计算结果与实测结果吻合。焊接转子去应力热处理过程的模拟计算为热处理工艺设计和热处理炉控制参数的设定提供了依据。     

热处理过程流场-温度场-组织场-应力场耦合模拟研究

建立了有限元-有限体积耦合的热处理流场、温度场、组织场、应力场数值模型,并采用真空高压气淬工艺对该模型进行了验证。模拟结果与实测不同位置的冷却曲线和显微组织吻合较好。本研究扩展了热处理模拟的求解域,克服了传统淬火模拟需预先获得淬火介质换热系数的局限。模拟可获得工件热处理后的显微组织分布和残余应力分布,进而为热处理工艺的制定提供参考。     

智能热处理及其发展前景

本文在论证热处理重要性的基础上,提出了智能热处理的基本架构,并指出智能热处理是智能制造的重要组成部分.热处理计算机模拟是智能热处理的核心技术,而热处理模拟软件则是涉及知识产权的重要载体,各国都十分重视其研发和工程应用.热处理模拟技术呈现出4个显著的发展趋势,即全流程建模、扩展求解域模型、多尺度性能预测、多场耦合建模.最后,作者就智能热处理需要重点关注的重大科学问题和共性关键技术进行了讨论.     

基于H13钢水淬在线监测的热处理数值模拟优化

为准确预测厚度较厚的H13钢热处理过程中的温度场和淬火残余应力,对规格为φ300 mm×350mm的H13钢工件进行淬火实时温度监测,分别设置了位于芯部、亚表面(离外表面10 mm)、1/3R(离圆心50 mm)和2/3R(离圆心100 mm)处的监测点。考虑钢/水对流换热系数受沸腾条件和热辐射的影响,对对流换热系数h进行了优化。结果表明各个温度监测点的试验结果与计算结果相符,证明经过优化后的对流换热系数可应用于大截面尺寸工件温度场的预测。模拟工件淬火后的应力场并结合显微组织观察发现,淬火在750 s前后出现芯部、表面最大的拉压峰值应力差,证明大尺寸工件淬火存在淬火危险期。     

铝合金模锻件热处理过程的热力耦合分析

采用有限元法对一个铝合金模锻件的沸水淬火和时效处理过程进行了热力耦合分析 ,研究了淬火过程中锻件与沸水之间的换热系数对淬火变形的影响、淬火过程中工件内应力的变化和水温对锻件残余应力的影响。对于铝合金锻件热处理过程的有关材料和工艺参数以及热处理结果进行了实验检测 ,并采用数值方法进行了处理。本文的研究对于控制和改进铝合金锻件热处理工艺具有一定的指导意义。     

基于计算机模拟的法兰盘激光表面热处理过程分析

利用计算机模拟激光热处理过程有利于减小试验成本。本文通过JMat Pro软件建立了考虑相变并依赖于温度的材料模型,利用耦合傅立叶传热模型和固体力学模型建立了法兰盘激光热处理热固耦合模型,分析了在激光热处理过程中法兰盘的动态温度分布、残余应力及工件变形情况。结果表明:在激光光束作用域前部温度低于作用域的后部温度。随着激光热源撤去及热传递的进行,法兰盘内部温度明显高于外部温度,且法兰盘表面应力开始逐渐均匀化,法兰盘内部应力比较大而边缘应力较小。     

钢的热处理数值模拟技术的现状与发展

钢的热处理涉及到一些极其复杂的过程,特别是,工件中会产生温度场、组织场和应力-应变场并相互作用。对钢的热处理过程进行数值模拟的目的是揭示工件中的温度场、组织场和应力场的瞬时变化,或预测钢热处理后的组织和性能,从而修正和优化热处理工艺。ABAQUS有限元软件可用来数值模拟钢的热处理过程。目前,热处理过程的数值模拟技术尚存在一些问题。今后的发展主要是材料数据库的建立和完善,温度场、组织场和应力场耦合模型的完善,以及改进高通量计算和高通量试验。     

热处理数值模拟与远程服务

扼要归纳了上海交通大学在热处理计算机模拟研究中的一些体会。数值模拟技术在渗碳（或渗氮）中的应用，已能处理将工艺参数（温度、气体成分、传递系数、扩散系数等）作为时间函数的复杂的非线性问题，更加接近生产实际情况，同时考虑了形状因素的影响。以其为核心开发气体渗碳CAD软件，并与实时控制直接结合形成的智能化渗碳技术，已取得良好实用效果；淬冷过程的数值模拟应用瞬态温度场－相变－应力场相互耦合的非线性三维有限元模型，实现了复杂形状工件、复杂淬冷操作的模拟，并完成了生产试验验证，初步应用于生产。在总结过去的工作和结合国内外相关工作的基础上，本文指出，目前热处理模拟技术正逐步进入实用化阶段，并使热处理远程服务成为可能。热处理远程服务是借助因特网将服务中心与用户连接起来的不受地域限制的技术服务方式，可以进行即时的自助的技术服务，它将改变热处理传统技术服务方式，优化热处理技术资源配置，改变热处理技术人员的工作方法，使其能更多地在服务中心提供的虚拟环境中进行创造性思维和工作。     

真气垫炉内漂浮换热过程数值模拟及结构优化

气垫炉是一种薄板材热处理用先进设备,基于某铝厂设计的气垫炉结构,建立气垫炉整体的三维计算模型,运用流固耦合FSI分析法对炉内板材漂浮换热过程进行模拟。模拟结果表明,板材换热基本均匀,但板材向下畸变过大,无法实现正常漂浮。为减少板材畸变,在优选空间内采用正交试验法优化气垫炉喷嘴布置参数,并采用响应面法与遗传算法优化气垫炉导流装置结构参数。结果表明,装置优化后板材上下表面的风量、压力分布更为合理,炉内板材畸变量从110.3 mm降低至41.4 mm,板材漂浮得以实现。     

考虑冷却介质相变的淬火过程流固耦合数值模拟

基于沸腾两相流动与传热的基本理论,考虑冷却介质的相变,建立了工件淬火过程流固耦合的数学模型。通过对多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics进行二次开发,完成了模型的数值求解并进行了可靠性验证。结果表明,创建的工件淬火过程流固耦合的数学模型是可靠的,可以较为准确地模拟出淬火工件表面温度随时间的变化历程以及淬火不同阶段的热传递速率特征。工件表面不同位置进入各个沸腾阶段的转折时间不同,棱角处最先进入过渡沸腾、核态沸腾和自然对流阶段,相应地该位置点温度下降也最快。在膜态沸腾阶段,工件表面被一层汽膜包裹,汽膜厚度随着工件高度坐标的增加而增厚。进入到过渡沸腾和核态沸腾阶段后,蒸汽的生成量增大,生成的蒸汽充斥在工件周围并不断上浮至自由液面溢出。     

Q&P钢热处理过程有限元法数值模拟模型研究

以国内典型淬火-分配(QP)高强钢——QP980钢为例,进行热处理全过程物理模拟研究,提出一种耦合温度及时间影响的类蠕变应变方程用以描述材料在QP热处理分配过程的体积变化,建立考虑淬火温度影响的QP热处理两次淬火过程相变动力学方程、相变应变及相变塑性方程,获得了QP钢各相的热膨胀系数。根据温度场、组织场、应力场三场耦合原理,基于物理模拟得到的弹塑性增量本构模型,对商业有限元软件ABAQUS用户子程序进行二次开发,建立了针对QP热处理全过程的三场耦合数值仿真模型;通过Gleeble热-力模拟试验机上的QP热处理实验对模型进行了实验验证,实验结果与数值模拟结果吻合良好。     

我国热处理计算机模拟研究与应用的进展

本文介绍中国开展热处理数学模型与计算机模拟技术的研究与工业应用的情况。包括三维有限元分析、非线性问题处理、温度──相变应力／应变的耦合。界面换热的理论与测试方法,强瞬态导热的非Fourier分析,原子尺度的模拟,流场动力学模拟等基础研究,另一方面,中国热处理界十分重视将计算机模拟技术应用于实际生产。在制订复杂形状零件的淬火方法,优化大件加热规范,预测大件热处理组织、性能、应力／应变。优化去氢扩散热处理工艺,化学热处理的动态控制技术、激光热处理、特大型气体渗碳炉流场动力学设计等方面都取得很好的结果。     

加氢反应器焊后局部热处理过程数值模拟与工艺优化

利用有限元软件MSC.Marc建立了加氢反应器焊后局部热处理过程的热力耦合有限元模型,并利用软件的二次开发功能把蠕变变形耦合到有限元模型当中。通过以上模型实现了对加氢反应器焊后局部热处理过程的数值模拟。模拟得到了反应器焊缝附近在不同热处理阶段的温度场、应变场和畸变场。为了减小反应器热处理后的畸变量,本文提出了优化的热处理工艺。与原始工艺相比,新工艺使反应器的畸变量从-2.31 mm减小为-1.86 mm。     

热处理清洗方法及其环保控制技术

本文介绍了热处理清洗方法和设备,通过选择合适的清洗方式和设备可以去除残留在工件表面上的污垢,提高工件表面清洁度,确保后序热处理对工件表面的质量,尤其对化学热处理更重要,也可减少了环境污染。     

铝带材热处理气垫炉内流动漂浮过程 数值模拟及结构优化

基于洛阳某铝厂设计的气垫炉结构,建立了气垫炉整体的三维物理数学模型,运用流固耦合FSI分析方法,得到了铝带材热处理气垫炉内的流场分布和铝带材表面的压力分布,以及带材在气垫炉内漂浮换热过程中的变形量。以减小漂浮过程中铝带材的变形量为目的,对气垫炉内导流板和狭缝喷嘴宽度进行改造,结果表明,改造后铝带材最大形变量为13.2 mm,较改造前减少了22.2 mm。     

高压气淬过程的数值模拟

应用有限体积法建立了数学模型,对高压气淬过程中气体的速度场、气体和工件的温度场以及工件内部的组织场进行了耦合计算,针对一组小棒料高压气淬的模拟结果,分析了气体流动、工件温度与相变各自的影响因素以及它们之间的相互影响,指出几何模型准确建立的重要性.另外通过模拟结果与实测冷却曲线的比较,该模型基本反映了高压气淬过程,其中加入相变计算能更符合实际,并且还能预测出工件的最终组织.应用本文中的相变计算模型,相变的计算结果与工件金相照片中的实测结果基本吻合.     

计算机模拟与热处理智能化

概述了气体渗碳及渗氮的计算机模拟,加热淬火,激光热处理的计算机模拟,流场动力学模拟和原子层次计算机模拟等方面的新进展。计算机模拟是研究工件内扩散,相变和应力应变等现象及它们之间的耦合的有力工具,流场动力学模拟的引入有望将模拟范围拓展到工艺过程影响所及的整个空间,而原子尺度模拟将有助于更深入研究各种微观机制,看来以数学模型为知识表达方式,以计算机模拟为决策依据的智能热处理技术,不失为实现热处理智能     

镍基高温合金端淬表面综合换热系数计算方法的比较EI北大核心CSCD

端淬实验是研究材料冷却速率与组织性能之间关系的高通量方法,而工件表面综合换热系数则是端淬数值模拟研究的必要边界条件。采用经验公式法、传热反问题法及流-固耦合分析法,计算了CSU-A1型镍基高温合金工件在空气端淬实验中的各表面综合换热系数;结合工件实验温度测点的冷却曲线及平均冷却速率对三种方法进行了比较。结果表明:实验温度范围内工件底端、侧部以及顶端的综合换热系数分别在323~555、16~30、58~184W/(m~2·K)之间。三种方法中,经验公式法获得的冷却曲线误差较大;传热反问题法的冷却曲线误差最小,但对实验数据及其他边界条件的依赖性强;流-固耦合分析法获得的平均冷却速率准确度最高,且不需要通过实验即可获取工件任意位置的换热系数,是研究气体端淬过程表面综合换热系数的有效方法。     

电子束相变硬化处理表面温度场的数值计算

本文从理论和实验两方面,对20钢电子束相变硬化处理表面的热传导问题进行了研究.建立了移动半无限大工件、表面受均匀矩形热源加热的稳态、三维热传导模型.用有限差分方法数值求解了工件表面的温度场.由此估算了不同工艺参数处理对的表面最高温度、加热和冷却速度等一些无法实测的数据.基于材料热物性参数为常数的假设,得出了工艺参数与表面熔化温度之间的关系.此关系可作为电子束相变硬化处理时恰当选择工艺参数的依据.在实验方面,通过改变功率、移动速度和束斑尺寸等工艺参数,研究了20钢表面处理层的显微组织、相变区的形状和深度,确定了表面熔化的开始.实验结果与计算值两者符合较好.从而证明此计算模型是有效的.     

激光局部热处理的多场耦合建模

基于温度、应力应变和微观结构之间的耦合效应关系,采用JMat Pro软件建立激光局部热处理的多场耦合模型,分析了热处理过程中温度场和残余应力场的分布。结果表明,70Cr3Mo钢内部和表面的最大残余应力分别为11.9 MPa和190 MPa,其边缘组织中的奥氏体几乎全部转化为马氏体。