Deform-3d熱解決模擬操作熱解決工藝在機(jī)械制造中占有十分重要的地位。隨著機(jī)械制造當(dāng)代化和熱解決質(zhì)量管理當(dāng)代化的發(fā)展，對熱解決工藝提出了更高的規(guī)定。熱解決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(fù)雜的過程，同時工藝參數(shù)的差別，也會造成熱解決加工對象硬度過高過低、硬度不均勻等現(xiàn)象。Deform-3d軟件提供一種熱解決模擬模塊，能夠協(xié)助熱解決工藝員，通過有限元數(shù)值模擬來獲得對的的熱解決參數(shù)，從而來指導(dǎo)熱解決生產(chǎn)實(shí)際。減少批量報廢的質(zhì)量事故發(fā)生。熱解決模擬，涉及到熱應(yīng)力變形、熱擴(kuò)散和相變等方面，因此計算很復(fù)雜，軟件采用牛頓迭代法，即牛頓-拉夫遜法進(jìn)行求解。它是牛頓在17世紀(jì)提出的一種在實(shí)數(shù)域和復(fù)數(shù)域上近似求解方程的辦法。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。辦法使用函數(shù)f(x)的泰勒級數(shù)的前面幾項(xiàng)來尋找方程f(x)=0的根。牛頓迭代法是求方程根的重要辦法之一，其最大優(yōu)點(diǎn)是在方程f(x)=0的單根附近含有平方收斂，并且該法還能夠用來求方程的重根、復(fù)根等。但由于現(xiàn)在Deform-3d軟件的材料庫只帶有45鋼、15NiCr13和GCr15等三種材料模型，并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(jìn)行二次開發(fā)。本例以45鋼熱解決淬火工藝的模擬過程為例，通過應(yīng)用Deform-3d

熱解決模塊，讓讀者基本理解熱解決工藝過程有限元模擬的基本辦法與環(huán)節(jié)。

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、問題設(shè)立點(diǎn)擊“文檔”（File）或“新問題”（Newproblem），創(chuàng)立新問題。在彈出的圖框中，選擇“熱解決導(dǎo)向”(heattreatmentwizard)，見圖1。

圖1

設(shè)立新問題2、初始化設(shè)立完畢問題設(shè)立后，進(jìn)入前解決設(shè)立界面。首先修改公英制，將默認(rèn)的英制（English）修改成公制（SI），同時選中“形變”（Deformation）、“擴(kuò)散”(Diffusion)和“相變”(Phasetransformation)，見圖2。圖2

初始化設(shè)立3、輸入幾何體在工件幾何體輸入對話框內(nèi)，選擇從數(shù)據(jù)庫或核心文獻(xiàn)夾（Importfromageometry,.KeyorDBfile）中輸入，見圖3。輸入的文獻(xiàn)必須是STL格式的，見圖4。

圖3

輸入幾何體圖4

選擇幾何體文獻(xiàn)4、網(wǎng)格劃分工件輸入后，能夠進(jìn)行網(wǎng)格劃分。這里取網(wǎng)格數(shù)8000；表面網(wǎng)格構(gòu)造(Structuredsurfacemesh)中，層的數(shù)量取1；層厚度(Layerthickness)為0.005；厚度模式(Thicknessmode)取與外形尺寸成比例（Ratiotooveralldimension），見圖5。*其實(shí)層厚度是默認(rèn)好的，點(diǎn)擊圖標(biāo)，就會顯示默認(rèn)的數(shù)據(jù)，然后點(diǎn)擊“OK”，完畢設(shè)立，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(shè)立圖7

網(wǎng)格生成后的工件三維圖形

5、材料設(shè)立1）選擇從數(shù)據(jù)庫或核心文獻(xiàn)夾（Importfrom.DBor.KEYfiles）中輸入，見圖8。由于數(shù)據(jù)庫和核心文獻(xiàn)夾尚未建立，因此在選擇從數(shù)據(jù)庫或核心文獻(xiàn)夾選項(xiàng)后，不要直接點(diǎn)下一步，而是點(diǎn)擊高級（Advanced）,這時會彈出材料設(shè)立對話框，見圖9。

圖8

材料輸入圖9

材料設(shè)立2）在材料設(shè)立對話框中點(diǎn)擊從材料庫中加載（Loadfromlib.）。并在彈出的對話框中選擇“Steel”,“AISI-1045_HeatTreatment”,類似國產(chǎn)45鋼，并加載，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）輸出材料保存到核心文獻(xiàn)夾。點(diǎn)擊輸出（Export），在核心文獻(xiàn)夾中選擇材料并保存，見圖12。圖12

保存到核心文獻(xiàn)夾4）打開保存到核心文檔中的材料并加載，完畢材料的設(shè)立，見圖13。圖13

完畢材料設(shè)立(tobecontinued)6、工件初始化設(shè)立在工件初始化對話框中，將溫度(Temperature)、原子(Atom)、相體積分?jǐn)?shù)(Phasevolumefraction)均選擇為均勻（Uniform）。并將溫度設(shè)立為“20”；原子為“0.44”；將馬氏體(Martensite)的體積分?jǐn)?shù)設(shè)立為“1”，見圖14。*原子比例設(shè)立這里指含碳量。能夠從材料性能表中的描述（Description）一欄中查到，見圖10。圖14初始化設(shè)立7、介質(zhì)的具體設(shè)立介質(zhì)設(shè)立的界面見圖15，這里的介質(zhì)重要有加熱爐和水。圖15介質(zhì)設(shè)立界面1）加熱爐設(shè)立：點(diǎn)擊“加號”，在彈入的框中用英語填寫“HeatingFurnace”，然后點(diǎn)擊“OK”完畢設(shè)立，見圖16。圖16加熱爐設(shè)立2）加熱爐參數(shù)設(shè)立：點(diǎn)擊“減號”，去掉“Media1”，將熱傳遞系數(shù)（Heattransfercoefficient）改成0.1，選中輻射“Radiation”見圖17。圖17加熱爐參數(shù)設(shè)立3）添加介質(zhì)水：點(diǎn)擊“加號”，在彈出的圖框中填寫“water”,將默認(rèn)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(shè)立4）添加區(qū)域1（Zone1）在區(qū)域設(shè)立欄中，點(diǎn)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(xiàng)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)(Convectioncoefficient)，具體見圖21。

圖20選擇f(Temp)

圖21溫度與對流系數(shù)設(shè)立TemperoratureConvectionCoefficient202.12502.85006.87504.010002.58、工藝程序設(shè)立工藝程序設(shè)立涉及，持續(xù)加熱（冷卻）時間、介質(zhì)、溫度等參數(shù)設(shè)立。這里設(shè)立了三個階段，分別為預(yù)熱階段升溫階段和冷卻淬火階段，其中預(yù)熱和升溫介質(zhì)為加熱爐（Heatingfurnace），冷卻淬火介質(zhì)為水(Water)。1）預(yù)熱階段：溫度550°C，持續(xù)加熱時間1800秒；2）升溫階段：溫度900°C，持續(xù)加熱時間7200秒；3）冷卻階段：溫度20°C，持續(xù)冷卻時間600秒。同時在開始操作（Startoperation）欄目中，選擇“2”。詳見圖22。圖22工藝程序設(shè)立9、模擬控制設(shè)立

模擬控制對話框見圖23。按默認(rèn)好的步數(shù)定義為“自動”，每步溫度變化為“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(shè)立，因此欄目保存空白，見圖23。在固定節(jié)點(diǎn)邊界條件設(shè)立中，選擇點(diǎn)擊“自動設(shè)立（Auto）”，這時會出現(xiàn)固定節(jié)點(diǎn)邊界條件已添加的回答，點(diǎn)擊“OK”、完畢固定節(jié)點(diǎn)邊界條件設(shè)立，見圖24。然后再點(diǎn)擊“Finish”，出現(xiàn)圖25的回答，大意是數(shù)據(jù)庫、核心文獻(xiàn)等已成功創(chuàng)立，請退出并回到主窗口進(jìn)行模擬運(yùn)行。圖23模擬控制

圖24固定節(jié)點(diǎn)邊界條件已經(jīng)添加提示圖25創(chuàng)立數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)已經(jīng)成功提示(tobecontinued)10、模擬和后解決在主窗口課題目錄（Directory）中，選擇需要模擬的文獻(xiàn)，然后在模擬器(Simulator)欄目中，點(diǎn)擊運(yùn)行（Run）,開始模擬。模擬進(jìn)行狀況能夠從信息（Message）窗口觀察到。

圖26模擬運(yùn)行模擬達(dá)成指定的步數(shù)或時間后模擬停止，這時點(diǎn)擊退出圖標(biāo)，退出模擬。再次打開主窗口，在目錄欄中選中課題，然后在后解決器中點(diǎn)擊“Deform-3dPost”進(jìn)入后解決窗口。熱解決模擬的后解決窗口應(yīng)涉及下列內(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解決模擬的后解決分析：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(yīng)先在狀態(tài)變量選擇菜單內(nèi)，選擇溫度（Temperature），然后再點(diǎn)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。能夠應(yīng)用剖切（Slicing）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(biāo)值修改成“1”，點(diǎn)擊“OK”完畢零件的剖切。*如果要盡量在圓柱體的中心位置進(jìn)行剖切，就需要進(jìn)行中心點(diǎn)的坐標(biāo)。默認(rèn)的P點(diǎn)Y、Z軸的坐標(biāo)為“0”，因此只要計算X軸的坐標(biāo)點(diǎn)就能夠了，一種辦法采用拉動圖標(biāo)下方的滑標(biāo)，大致放在中間位置即可。要精擬定位，需要通過計算，能夠根據(jù)滑尺兩端的數(shù)字相加后除2。本例計算以下：(-35.934+16.054）/2=-9.94，見圖28、圖29。圖28剖切設(shè)立圖29剖切后的零件2）定點(diǎn)跟蹤設(shè)立點(diǎn)擊“定點(diǎn)跟蹤分析”（Pointtracking）按鈕，彈出的對話框見圖30。圖30定點(diǎn)跟蹤設(shè)立對話框沿工件剖面的對角線選擇幾個點(diǎn)，如圖31的P1、P2、P3。圖31選擇跟蹤點(diǎn)這時，在定點(diǎn)跟蹤設(shè)立對話框內(nèi)自動會出現(xiàn)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，見圖32。點(diǎn)擊“Next”和“Finish”完畢跟蹤設(shè)立。圖32定點(diǎn)跟蹤設(shè)立

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(diǎn)跟蹤曲線，見圖33。圖33溫度的定點(diǎn)跟蹤曲線從曲線中能夠分析，三個點(diǎn)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(diǎn)跟蹤曲線，三個點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)跟蹤

圖35溫度均勻度分析

3、殘存應(yīng)力的定點(diǎn)跟蹤分析熱解決淬火后會留有殘存應(yīng)力，嚴(yán)重的話，會造成零件變形。圖36是等效殘存應(yīng)力定點(diǎn)跟蹤分析曲線，最大殘存應(yīng)力位于零件表面。圖36殘存應(yīng)力定點(diǎn)跟蹤分析4、硬度的定