1、 有限元分析与建模有限元分析与建模 期末论文期末论文 题目题目： 带轮淬火过程热瞬态分析带轮淬火过程热瞬态分析 电子科技大学 机电学院 带轮淬火的带轮淬火的瞬态热瞬态热分析分析 一、一、 问题描述问题描述 淬火就是将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸 入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。这里我们用有限元的方法分 析带轮淬火过程过个部分的温度变化情况。 在分析之前首先对带轮初始条件设置一下： （1） 设带轮的初始温度为 500 摄氏度，将其突然放进温度为 0的水 中，使其完成淬火过程。水的对流系数为 110W/(m2.)。 （2）带轮的的零件结构示意图如图 1 所示（图中长度单位
2、为 mm） ，它 的三维模型如图 2 所示。 图 1 带轮的结构示意图 图 2 带轮的三维结构图 （3）带轮材料的热性能参数如表 1 所示。 表 1 带轮的材料热性能参数 密度 kg/m3 导热系数 W/(m*) 比热 J/(kg. ) 2400 70 328 二、二、问题的分析问题的分析 在进行有限元建模之前，首先对一下几个方面进行分析 1、 瞬态热分析 瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度及其它热参数。在工 程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。 瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似，瞬态热分析中使用的单元与 稳态热分析相同，主要的区别是瞬态分析中的载荷是随
3、时间变化的。为了表 达随时间变化的载荷，首先必须将载荷时间曲线分为载荷步。载荷时间 曲线中的每一个拐点为一个载荷步。对于每一个载荷步，必须定义载荷值及 时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶跃。 2、分析模型的选择 建立有限元模型时需要考虑的因素很多， 不同的问题所需要考虑的侧重 点也不一样。但不论什么问题，建模时都应该考虑的两调基本原则：一是保 证计算结果的精度，二是要适当控制模型规模。而精度和规模是一对相互矛 盾的因素。往往精度非常高时，模型的规模又太大，在建模和分网等过程带 来很多麻烦，同时求解也很困难；想要缩小模型的规模又达不到需要的计算 精度。所以建模时应根据具体的分析对象、分析要求和
4、分析条件权衡考虑。 对带轮分析模型的建立，主要从以下三个方面分析： （1）带轮的结构 由上面给出带轮的结构示意图和三维结构图可以知道该带轮的几何形状 是严格轴对称的，是相对对称轴的旋转体； （2）边界条件 带轮在淬火过程中的边界条件是对称，带轮是整体的受热，对于以轴线 的旋转体，温度在各个旋转角度的变化情况是相同的，而且在突然放进 0 的水中时，带轮的各个角度的部位受温度影响也是一样的； （3）材料 带轮的材料是各向同性的，这种条件自然满足。 基于以上的几点分析， 我们在做有限元分析时没有必要对整个带轮进行 分析，只需要对带轮的一部分做分析，就能得到满意的答案。因此，我们选 用了整个带轮的 1/16 部分（即 22.5的角度）作为带轮的分析几何模型，如 图 3 所示。 图 3 带轮热分析的几何模型 3、求解的问题 带轮的淬火过程是一个热瞬态分析过程，因此我们为了更好了分析出 整个淬火过程中带轮整个的温度变化以及带轮各个部位的温度变化情况， 我 们需要求解以下两个问题： （1）在一分钟和五分钟后带轮的温度场分布情况 （2）求出零件图上 A、B、C、D、E 各点
