Deform-3d热处理模拟操作全解

Deform-3d热处理模拟操作热处理工艺在机械制造中占有十分重要的地位。随着机械制造现代化和热处理质量管理现代化的发展，对热处理工艺提出了更高的要求。热处理工艺过程由于受到加热方式、冷却方式、加热温度、冷却温度、加热时间、冷却时间等影响，金属内部的组织也会发生不同的变化，因此是个十分复杂的过程，同时工艺参数的差异，也会造成热处理加工对象硬度过高过低、硬度不均匀等现象。Deform-3d软件提供一种热处理模拟模块，可以帮助热处理工艺员，通过有限元数值模拟来获得正确的热处理参数，从而来指导热处理生产实际。减少批量报废的质量事故发生。热处理模拟，涉及到热应力变形、热扩散和相变等方面，因此计算很复杂，软件采用牛顿迭代法，即牛顿-拉夫逊法进行求解。它是牛顿在17世纪提出的一种在实数域和复数域上近似求解方程的方法。多数方程不存在求根公式，因此求精确根非常困难，甚至不可能，从而寻找方程的近似根就显得特别重要。方法使用函数f(x)的泰勒级数的前面几项来寻找方程f(x)=0的根。牛顿迭代法是求方程根的重要方法之一，其最大优点是在方程f(x)=0的单根附近具有平方收敛，而且该法还可以用来求方程的重根、复根等。但由于目前Deform-3d软件的材料库只带有45钢、15NiCr13和GCr15等三种材料模型，而且受到相变模型的局限，因此只能做淬火和渗碳淬火分析，更多分析需要进行二次开发。本例以45钢热处理淬火工艺的模拟过程为例，通过应用Deform-3d热处理模块，让读者基本了解热处理工艺过程有限元模拟的基本方法与步骤。1、问题设置点击“文档”（File）或“新问题”（Newproblem），创建新问题。在弹出的图框中，选择“热处理导向”(heattreatmentwizard)，见图1。图1设置新问题2、初始化设置完成问题设置后，进入前处理设置界面。首先修改公英制，将默认的英制（English）修改成公制（SI），同时选中“形变”（Deformation）、“扩散”(Diffusion)和“相变”(Phasetransformation)，见图2。图2初始化设置3、输入几何体在工件几何体输入对话框内，选择从数据库或关键文件夹（Importfromageometry,.KeyorDBfile）中输入，见图3。输入的文件必须是STL格式的，见图4。图3输入几何体图4选择几何体文件4、网格划分工件输入后，可以进行网格划分。这里取网格数8000；表面网格结构(Structuredsurfacemesh)中，层的数量取1；层厚度(Layerthickness)为0.005；厚度模式(Thicknessmode)取与外形尺寸成比例（Ratiotooveralldimension），见图5。*其实层厚度是默认好的，点击图标，就会显示默认的数据，然后点击“OK”，完成设置，见图6。网格生成后的工件三维图形见图7。图5网格划分图6层厚度设置图7网格生成后的工件三维图形5、材料设置1）选择从数据库或关键文件夹（Importfrom.DBor.KEYfiles）中输入，见图8。由于数据库和关键文件夹尚未建立，因此在选择从数据库或关键文件夹选项后，不要直接点下一步，而是点击高级（Advanced）,这时会弹出材料设置对话框，见图9。图8材料输入图9材料设置2）在材料设置对话框中点击从材料库中加载（Loadfromlib.）。并在弹出的对话框中选择“Steel”,“AISI-1045_HeatTreatment”,类似国产45钢，并加载，见图10。加载后，材料列表中会显示材料型号以及相变名称，这里显示的是45号钢以及奥氏体、珠光体和马氏体，见图11。图10选择钢号图11加载后的材料列表3）输出材料保存到关键文件夹。点击输出（Export），在关键文件夹中选择材料并保存，见图12。图12保存到关键文件夹4）打开保存到关键文档中的材料并加载，完成材料的设置，见图13。图13完成材料设置(tobecontinued)6、工件初始化设置在工件初始化对话框中，将温度(Temperature)、原子(Atom)、相体积分数(Phasevolumefraction)均选择为均匀（Uniform）。并将温度设置为“20”；原子为“0.44”；将马氏体(Martensite)的体积分数设置为“1”，见图14。*原子百分比设置这里指含碳量。可以从材料性能表中的描述（Description）一栏中查到，见图10。图14初始化设置7、介质的详细设置介质设置的界面见图15，这里的介质主要有加热炉和水。图15介质设置界面1）加热炉设置：点击“加号”，在弹入的框中用英语填写“HeatingFurnace”，然后点击“OK”完成设置，见图16。图16加热炉设置2）加热炉参数设置：点击“减号”，去掉“Media1”，将热传递系数（Heattransfercoefficient）改成0.1，选中辐射“Radiation”见图17。图17加热炉参数设置3）添加介质水：点击“加号”，在弹出的图框中填写“water”,将默认的热传递系数修改为“7”，取消选择辐射，见图18。图18介质水的设置4）添加区域1（Zone1）在区域设置栏中，点击“添加”，会自动生成“Zone1”，见图19。图19添加区域15）写入对流系数在常数（Constant）项的下拉菜单中，选择与温度关联“f(temp.)”，见图20。写入对流系数(Convectioncoefficient)，具体见图21。图20选择f(Temp)图21温度与对流系数设置TemperoratureConvectionCoefficient202.12502.85006.87504.010002.58、工艺程序设置工艺程序设置包括，持续加热（冷却）时间、介质、温度等参数设置。这里设置了三个阶段，分别为预热阶段升温阶段和冷却淬火阶段，其中预热和升温介质为加热炉（Heatingfurnace），冷却淬火介质为水(Water)。1）预热阶段：温度550°C，持续加热时间1800秒；2）升温阶段：温度900°C，持续加热时间7200秒；3）冷却阶段：温度20°C，持续冷却时间600秒。同时在开始操作（Startoperation）栏目中，选择“2”。详见图22。图22工艺程序设置9、模拟控制设置模拟控制对话框见图23。按默认好的步数定义为“自动”，每步温度变化为“5”，每步时间最大最小为“0.001”和“10”，步数增量为“10”。附加边界条件中由于没有考虑对称设置，因此栏目保存空白，见图23。在固定节点边界条件设置中，选择点击“自动设置（Auto）”，这时会出现固定节点边界条件已添加的回答，点击“OK”、完成固定节点边界条件设置，见图24。然后再点击“Finish”，出现图25的回答，大意是数据库、关键文件等已成功创建，请退出并回到主窗口进行模拟运行。图23模拟控制图24固定节点边界条件已经添加提示图25创建数据库文件已经成功提示(tobecontinued)10、模拟和后处理在主窗口课题目录（Directory）中，选择需要模拟的文件，然后在模拟器(Simulator)栏目中，点击运行（Run）,开始模拟。模拟进行状况可以从信息（Message）窗口观察到。图26模拟运行模拟达到指定的步数或时间后模拟停止，这时点击退出图标，退出模拟。再次打开主窗口，在目录栏中选中课题，然后在后处理器中点击“Deform-3dPost”进入后处理窗口。热处理模拟的后处理窗口应包括以下内容：（1）图形显示窗口（2）步数选择和动画播放器（3）图形状态选择按钮（4）图形位置控制按钮（5）状态变量选择与分析按钮热处理模拟的后处理分析：1、加热和冷却过程动画播放为了播放加热和冷却过程的动画，应先在状态变量选择菜单内，选择温度（Temperature），然后再点击播放器，在显示窗口观察加热和冷却的变化过程。见图27。图27加热和冷却过程模拟2、加热和冷却温度分布均匀度分析1）剖切零件为了分析温度分布均匀度，需要将工件剖切。可以应用剖切（Slicing）分析工具，将对话框中的模式选为“1Point+Normal”，在输入栏内，将P行的X坐标值修改成“1”，点击“OK”完成零件的剖切。*如果要尽可能在圆柱体的中心位置进行剖切，就需要进行中心点的坐标。默认的P点Y、Z轴的坐标为“0”，因此只要计算X轴的坐标点就可以了，一种方法采用拉动图标下方的滑标，大致放在中间位置即可。要精确定位，需要通过计算，可以根据滑尺两端的数字相加后除2。本例计算如下：(-35.934+16.054）/2=-9.94，见图28、图29。图28剖切设置图29剖切后的零件2）定点跟踪设置点击“定点跟踪分析”（Pointtracking）按钮，弹出的对话框见图30。图30定点跟踪设置对话框沿工件剖面的对角线选择几个点，如图31的P1、P2、P3。图31选择跟踪点这时，在定点跟踪设置对话框内自动会出现点的坐标位置，见图32。点击“Next”和“Finish”完成跟踪设置。图32定点跟踪设置3）温度均匀度分析在状态变量菜单中选择温度，在窗口即会显示温度的定点跟踪曲线，见图33。图33温度的定点跟踪曲线从曲线中可以分析，三个点的温度基本是一致的，这是由于工件尺寸较小，加热保温时间充足造成的。图34显示的是较大尺寸工件的定点跟踪曲线，三个点的温度明显产生差别。图35为较大工件的温度均匀度定点跟踪曲线，图36显示的是较大尺寸工件冷却时，剖面上温度均匀度分布状况。图34温度分布的定点跟踪图35温度均匀度分析3、残余应力的定点跟踪分析热处理淬火后会留有残余应力，严重的话，会造成零件变形。图36是等效残余应力定点跟踪分析曲线，最大残余应力位于零件表面。图36残余应力定点跟踪分析4、硬度的定点跟踪分析图37为硬度的定点分析，由于工件尺寸小，温度均匀，因此硬度也比较均匀。图38是较大尺寸工件的硬度分析。硬度明显不一致，表面硬度交高，中心硬度最低。图37硬度的定点跟踪分析图38较大零件硬度分布分析5、相的体积分数分析相的体积分数分析即金相分析，可以进一步分析材料的组织结构的构成。图39、图40和图41显示的是较大零件相的体积分数分析结果。图39马氏体含量与分布图40珠光体含量与分布图41奥氏体含量与分布