4-曲轴表面强化工艺仿真研究(北理工-廖日东)

曲轴表面强化工艺仿真研究NumericalSimulationoftheCrankshaftSurfaceStrengthening廖日东LiaoRi-dong北京理工大学动力系统工程研究所ResearchCenterofPowerMachinery,BeijingInstituteofTechnology曲轴及其常见的失效形式CrankshaftandCommonFailureForms轴颈异常磨损AbnormalWearofCrankshaftNeck扭转疲劳断裂TorsionalFatigueFracture弯曲疲劳断裂BendingFatigueFracture2常见的曲轴表面强化工艺CommonCrankshaftSurfaceStrengtheningMethods感应淬火InductionQuenching圆角滚压FilletRolling气体渗氮GasNitriding34不考虑强化的曲轴强度计算CrankshaftStrengthCalculationwithoutconsideringSurfaceStrengthening5不考虑强化的曲轴强度计算CrankshaftStrengthCalculationwithoutconsideringSurfaceStrengthening表面强化工艺仿真研究StudiesonSurfaceStrengtheningSimulations从工艺参数设计出发，预测工件的弹塑性力学性能、断裂韧性和疲劳寿命等宏观力学量，也就是说是实现强化工艺的预测设计。涉及材料学、工艺学、热力学、固体物理、电磁学、弹塑性力学、断裂力学、流体力学等。6圆角滚压数值分析NumericalAnalysisonFilletRolling78圆角滚压数值分析NumericalAnalysisonFilletRolling圆角滚压数值分析NumericalAnalysisonFilletRolling9感应加热淬火仿真研究感应加热过程仿真强化效果分析与验证淬火冷却过程仿真工艺设计仿真分析试验验证感应器结构电工学参数冷却液参数冷却时间强化要求工件热物性：电磁性能导/换热性能力学性能电磁场分析温度场分析相变分析应力/位移场分析表面硬度测量淬裂缺陷检测形位误差检测金相组织分析疲劳强度试验残余应力测量材料性能分析相变应力/塑性，与组织相关的力学性质应力/应变诱导相变热应变/热机械性能热物性热驱动力相变潜热热物性与相体积相关的电磁性质塑性功生热感应涡流生热热流场分析温度场分析相变分析应力/位移场分析热应变/热机械性能热物性热驱动力相变潜热热物性塑性功生热沸腾/传导换热相变应力/塑性，与组织相关的力学性质应力/应变诱导相变10SimulationofInductionHeatingQuenching感应加热淬火仿真研究SimulationofInductionHeatingQuenching11感应加热淬火数值分析NumericalAnalysisonInductionHeatingQuenching12感应加热淬火数值分析NumericalAnalysisonInductionHeatingQuenching13感应加热淬火数值分析NumericalAnalysisonInductionHeatingQuenching14感应加热淬火数值分析NumericalAnalysisonInductionHeatingQuenching1542CrMo临界冷却速度感应加热淬火数值分析NumericalAnalysisonInductionHeatingQuenching16典型位置各相淬火后硬度典型位置淬火后硬度感应淬火仿真研究SimulationofInductionHeatingQuenching材料的热物性不可靠；没有考虑加热和冷却速率（热流密度变化率）的影响；在线的测量和验证很困难，工艺的预测设计还没有实现。17感应加热淬火仿真研究SimulationofInductionHeatingQuenchingqTtqttTttTc)(2022018感应加热淬火仿真研究SimulationofInductionHeatingQuenching含瞬变热源的强瞬态热传导方程的求解；电磁感应淬火过程中“热波”的传播机制；非Fourier效应对电磁感应淬火中多场耦合动力学响应的影响。电磁感应淬火过程的瞬态热传导的非Fourier效应研究电磁感应淬火过程中材料相变的非Fourier效应研究电磁感应淬火过程应力和变形的非Fourier效应研究电磁感应淬火过程仿真结果试验验证研究19xnmxmeebJebJq2211222222222)(21)(21-m-n0zyxJi0zyxJi-b含与不含空气区的电磁感应加热生热率解析解AnalyticalSolutionsoftheHeatGenerationRateoftheElectromagneticInductionHeating20感应加热淬火仿真研究SimulationofInductionHeatingQuenching•温度场控制方程基于CV模型格林函数212200220000(,)(,)000ttxxLTTTQxtQxtcttxtttTTTtTTtt222211440022222212214412-e18ecossin1cos11e114sinsin2sin2,tlmmmmmmmmllmlmlmlmlaQcaeaQcQcQmacxxa22200.5410C/s2mpJbck63=7.84110kg/m90.4710J/kg.Cpc111=1.310m()xpQxkce1111()()0QxxxxQxxx3413190J/m.577sQ1111.710xm感应加热淬火瞬态传热非Fourier效应Non-fourierEffectsonTemperatureFieldofInductionHeatingQuenching脉冲宽度不同时热流量不变内热源形式脉冲宽度不同时不同位置处温度随时间的变化22随着脉冲宽度的增加,温度波的幅值减小,波动减弱。说明热流传播的波动性只在热作用时间短到与材料热弛豫时间相当或更短的尺度才对传热过程起主导作用。0.1,0.5,1,5p0.1,0.5,1,5p感应加热淬火瞬态传热非Fourier效应Non-FourierEffectsonTemperatureFieldofInductionHeatingQuenching气体渗碳仿真研究SimulationofGasCarburizingqTtTc202CDtC)(TD),,,(tzyxT碳的扩散过程CarbonDiffusionProcess(Fick第二定律)：(Fich’sSecondLaw)工件加热过程WorkpieceHeatingProcess(瞬态热传导方程)：(TransientHeatConductionEquation)23总结与展望SummariesandProspects从Maxwell基本方程出发，推导了一维电磁感应加热过程生热率。基于电磁感应加热淬火过程由电磁感应产生的指数型内热源，简化为线性内热源，得到其非傅里叶导热温度场。建立了电磁感应加热有限元模型，利用梅尼尔模型，预测了水淬后的淬硬层和硬度。水淬后的硬度满足设计要求，但是硬度高于设计值，需要采用比水冷却性能弱的淬火液。24对于考虑材料非线性下，其内热源形式，得到相应的非Fourier效应的温度场。对于电磁感应加热淬火热传导的非Fourier效应，可以进一步研究球体下的温度场分布。研究不同非Fourier热传导数学模型对温度场结果的影响。研究电磁感应加热淬火过程中的非Fourier效应25总结与展望SummariesandProspects气体渗碳仿真研究SimulationofGasCarburizing渗碳问题有限元计算收敛性分析由于渗碳层很薄，所以工件表层的网格一般需要加密处理,但是工件表层的网格需要加密到什么程度才能满足精度要求？大型工件碳浓度场模拟简化计算现有文献都是针对非常简单的结构进行碳浓度场的模拟，如何比较简单的模拟大型工件的碳浓度场仍是一项尚待解决的问题。温度空间分布对碳浓度场的影响为了准确模拟碳浓度场，也为了对渗碳炉内工件的布置进行指导，考虑温度场空间分布对碳浓度场的影响是十分必要的。26渗碳问题有限元计算收敛性分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModel1.一维渗碳问题Laplace变换法0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.00.20.40.60.81.01.25000s4000s3000s2000s1000sC/%h/mm理论计算的缺点：1.只能求解一维问题2.对渗碳时间有限制理论求解：低碳钢初始碳浓度一般为0.2%左右，经过渗碳，工件表层碳含量发生变化，本文将工件表面至碳浓度变化量为0.01%（初始碳浓度的5%）处定义为渗碳影响区域，该区域深度定义为DH。t/s100015002000250030003500400045005000DH/mm0.490.610.710.790.870.941.011.071.13不同时间对应的DH值DH值估算式27渗碳问题有限元计算收敛性分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModel数值模拟：表征渗碳区域内节点碳浓度精确度网格尺寸/mm0.10.20.30.40.5ζ1000s0.0060.0090.0170.0280.0251500s0.0040.0070.0120.0210.0282000s0.0030.0060.0100.0180.0262500s0.0030.0050.0080.0150.0193000s0.0020.0040.0070.0130.0173500s0.0020.0040.0070.0120.0154000s0.0020.0030.0060.0110.0134500s0.0020.0030.0060.0100.0125000s0.0020.0030.0050.0090.011一维渗碳不同渗碳时间及网格尺寸条件下的ζ值0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030100020003000400050000.1mm0.2mm0.3mm0.4mm0.5mmt/sζ0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.10.20.30.40.51000s1500s2000s2500s3000s3500s4000s4500s5000sζ网格大小/mm网格尺寸对节点碳浓度的影响28渗碳问题有限元计算收敛性分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModelt/sDh(理论计算)/mmDh(模拟计算)/mm0.10.20.30.40.510000.300.300.350.380.390.4715000.370.380.390.460.470.4820000.430.430.460.510.560.5125000.480.490.520.540.610.6130000.530.530.550.570.650.6835000.570.580.590.600.690.7340000.