熱處理畸變仿真的案例
帶內(nèi)螺紋精密零件的熱處理畸變有限元仿真
摘 要：帶內(nèi)螺紋的精密零件在經(jīng)歷淬火-低溫回火的熱處理后發(fā)生了輕微的畸變，但是對于精密工程而言(如火箭發(fā)動機等),這些輕微畸變將會導致后續(xù)在裝配過程出現(xiàn)無法裝配的嚴重后果。使用有限元軟件及其子程序，考慮了應力影響相變和相變塑性，計算得到了熱處理過程中的溫度場、應力應變場，以及熱處理后的殘余應力分布和零件畸變，該畸變與生產(chǎn)過程中的裝配結(jié)果所顯示的畸變基本一致。針對裝配困難問題，結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，提出了一些改進生產(chǎn)工藝控制零件畸變的建議。
關鍵詞：內(nèi)螺紋;熱處理畸變;淬火-回火;有限元仿真;
熱處理對于鋼制零件的加工來說是一個非常重要的最終加工工藝，被用來改進材料的力學性能[1]。熱處理之后，材料的性能會發(fā)生變化， 零件也可能產(chǎn)生畸變。在工業(yè)生產(chǎn)領域，對于測量這些畸變，花費了大量人力財力，提出了許多方法，但是目前仍很難準確地預測熱處理畸變。有限元仿真方法通過基于物理模型的數(shù)值計算可以給出每一個時刻的應力應變場、溫度場和組織場，給企業(yè)科研人員的生產(chǎn)決策提供理論基礎，在熱處理研究中越來越成為強有力的分析工具。
控制零件的性能和形狀是熱處理的首要目標。當前很多學者對熱處理過程的有限元分析做了大量的工作。日本的Gur and Tekkaya開發(fā)了有限元新模型用來計算軸對稱零件的溫度場和應力應變場[2]。Caner Simsir等使用三維有限元軟件模擬了淬火過程，并且研究了考慮殘余應力對軸對稱零件熱處理過程數(shù)值計算的影響[3]。Fukumoto等[4]通過ABAQUS軟件對螺旋齒輪的滲碳和淬火過程的畸變進行了研究。Lee等[5]研究了熱處理過程的力學性能變化，并使用ABAQUS軟件對HSLA鋼的熱處理過程進行了有限元仿真。
展開 滲碳齒輪的熱處理畸變及其控制技術
滲碳齒輪的熱處理畸變及其控制技術[J]. 熱處理, 2008, 23(3):8.
2012阿毅鍛壓仿真系列講座-Deform 2D局部點網(wǎng)格畸變問題處理方法
開打前處理發(fā)現(xiàn)，以下網(wǎng)格畸變：
像上圖這種問題，是沒有正確的Remesh導致的，需要在deform2d中單獨設置Remesh條件嗎，而不是等待軟件自動重劃分：
一般情況下，可以用下壓的距離或者步數(shù)進行控制，具體的數(shù)值根據(jù)實際情況決定；
大部分的問題都是由于此原因?qū)е碌模鴤€別的則是由于邊界條件導致的，如下：
報的是同樣的SORRY, NEGATIVE JACOBIAN DETECTED AT ELEMENT NO.741 錯誤
這個地方出現(xiàn)問題，主要是由于2個變形體和模面的交匯，沒有正確的處理邊界條件造成的，解決的方法是單獨定義邊界條件：需要增加一個X方向的約束，一個高級接觸條件，2個需要配合使用，單獨一個貌似不起作用；
此問題模型下載：
http://forums.caenet.cn/showtopic-523475.aspx
展開 仿真實踐 | 汽車發(fā)動機連桿模鍛&熱處理鏈式仿真
經(jīng)鏈式仿真驗證，優(yōu)化后連桿在以下方面均得到明顯改善：
模鍛后溫度場分布更均衡
再加熱階段截面均熱一致性提升
水淬冷卻路徑差異明顯縮小
馬氏體轉(zhuǎn)變更加同步，局部組織異常減少
熱處理后最大變形預測值下降
關鍵區(qū)域殘余應力峰值明顯減弱
04結(jié)果驗證：產(chǎn)品穩(wěn)定性顯著提升
優(yōu)化方案落地后，項目組對量產(chǎn)連桿進行了批量抽檢驗證。結(jié)果顯示，在保持既有設備和核心工藝路線不變的條件下，產(chǎn)品穩(wěn)定性得到明顯提升。
檢測樣本：1500件
改善效果：
硬度超差/波動偏大比例：由3.6%降至1.2%
淬火變形超差比例：由3.2%降至0.9%
組織異常或局部淬硬不足比例：由2.3%降至0.8%
綜合來看，連桿熱處理后相關異常比例下降約6.7%，基本解決了長期困擾客戶的硬度離散、局部組織不穩(wěn)和淬火變形偏大等問題。更重要的是，本項目證明了：對于發(fā)動機連桿這類典型鍛件，單獨分析熱處理往往是不夠的，只有將模鍛成形與熱處理過程打通，才能真正找到質(zhì)量波動的根源。
經(jīng)驗小結(jié)
對45鋼發(fā)動機連桿而言，熱處理質(zhì)量很大程度上取決于模鍛后的初始狀態(tài)控制。
連桿大小頭與桿身截面差異明顯，必須重視鍛后溫差和再加熱均熱的一致性。
水淬質(zhì)量不僅受溫度制度影響，更受入水姿態(tài)、換熱條件和操作節(jié)拍影響。
鏈式仿真能夠把鍛造殘余應力、組織繼承與淬火變形關聯(lián)起來，是提升此類鍛件工藝穩(wěn)定性的有效工具。
從“模鍛仿真—熱處理仿真—現(xiàn)場驗證—批量固化”建立閉環(huán)，是汽車發(fā)動機關鍵鍛件質(zhì)量優(yōu)化的重要方向。
展開 
設計仿真 | 立即預約-Simufact成形及熱處理工藝仿真解決方案
海克斯康工業(yè)軟件旗下Simufact Forming仿真軟件，能夠?qū)α悴考某尚芜^程進行仿真分析，預測成形過程中材料與模具設計的諸多問題，例如折疊、填充不滿、模具應力分布等問題，助力工程師對工藝及模具進行優(yōu)化，同時軟件能夠進行熱處理工藝仿真分析，預測零部件在熱處理過程中變形、殘余應力、相變的演化過程，對熱處理工藝的改善起到一定指導作用。
本期直播，海克斯康工業(yè)軟件工藝仿真專家將結(jié)合經(jīng)典行業(yè)案例展示成形及熱處理仿真方案，同時帶來全新模具壽命分析方案的介紹，歡迎預約報名！
11月9日 14:00
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直播內(nèi)容聚焦
成形工藝仿真：對材料成形過程進行精確仿真
預測成形過程中材料流動所致的折疊、填充不滿等問題
熱處理工藝仿真：熱處理所致的零部件變形、應力集中、相變等關鍵結(jié)果仿真
預測零部件熱處理過程中變形、應力及相變的演化過程，為優(yōu)化工藝及模具提供參考
新功能簡介：全新升級的模具壽命仿真模塊
海克斯康金屬成形工藝仿真軟件
涵蓋了成形工藝技術的諸多重要領域：熱鍛造、冷成形、擠壓成形、鈑金成形、軋制、環(huán)軋、旋壓、自由鍛等。
可以幫助用戶對成形過程的成形缺陷、微觀組織、模具應力、材料流動以及常規(guī)熱處理和感應加熱等工藝過程中的材料性能變化及零部件變形進行預測。
展開 ESI集團SYSWELD焊接仿真解決方案更新！熱處理仿真分析能力大大提升
今日為您介紹ESI集團焊接模擬仿真軟件SYSWELD 2019在熱處理仿真的進一步優(yōu)化，工藝工程師可以在工藝開發(fā)階段創(chuàng)建更加真實的虛擬結(jié)構(gòu)來代替實驗，提高產(chǎn)品制造質(zhì)量及縮短開發(fā)周期。
SYSWELD是一款專注于焊接結(jié)構(gòu)件及裝配件材料特性、微觀組織、殘余應力及變形分析的焊接及熱處理仿真軟件。它可以用于不同的焊接方法（弧焊、電子束焊、激光點焊等）、熱處理（滲碳、碳氮共滲、淬火）、相關物理現(xiàn)象（化學、熱、相變、力學）的仿真分析。
在最新版中，ESI集團增強了SYSWELD2019的焊接及熱處理仿真能力，進一步提高了材料特性、殘余應力、變形的預測能力，為構(gòu)件尺寸工差和產(chǎn)品性能控制提供幫助。
最新版對網(wǎng)格能力進行了更進一步的增強，顯著降低焊接及熱處理網(wǎng)格劃分的時間。
新版本支持新的接觸算法NIT3D，利用該算法可以考慮部件局部熔化的接觸行為。新版本還支持熱處理-機加鏈式仿真分析。新版本支持多工序仿真過程中焊接及熱處理仿真數(shù)據(jù)的智能傳遞。
SYSWELD的價值在于通過考慮焊接、焊接裝配、熱處理的鏈式仿真來減少傳統(tǒng)物理實驗，控制優(yōu)化材料特性、焊接順序及焊接完整性，提高產(chǎn)品質(zhì)量、性能和服役時間。
來源： ESI集團
展開 設計仿真 | 齒輪感應加熱熱處理綜述
01
概述
OVERVIEW
對于齒輪的感應加熱熱處理過程，本文通過循環(huán)對稱齒輪模型的感應加熱案例簡單介紹Marc的相變熱處理仿真方法和流程。
循環(huán)對稱模型仿真須滿足模型結(jié)構(gòu)和邊界條件都遵循循環(huán)對稱條件，從而在很大程度縮減模型規(guī)模、簡化模型，減少求解時間和內(nèi)存需求，實現(xiàn)更精細的網(wǎng)格，更詳細地研究模型。
在整體齒輪簡化為循環(huán)對稱的模型后，進行感應加熱，淬火連續(xù)工藝過程仿真，發(fā)現(xiàn)齒輪淬火導致奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)換，從而在相變區(qū)域獲得更好的材料性能；但也會在齒輪內(nèi)部引入各種殘余應力，從而改變其機械性能。
02
模型建模細節(jié)
Model modeling details
齒輪有18個齒，采用循環(huán)對稱只建立一個齒牙，再進行厚度方向?qū)ΨQ定義，然后進行有限元網(wǎng)格劃分。感應加熱階段，電磁線圈內(nèi)定義150kHz頻率的1200A感應電流進行齒輪加熱，加熱時間2s，然后關閉感應線圈，進行淬火冷卻，冷卻時間7s內(nèi)。
展開 FloEFD熱仿真分析之結(jié)果處理
目標圖：用于研究目標值隨計算過程的變化情況
通量圖：顯示熱傳遞路徑圖
文章作者：白堤，碩士，有限元設計圈主編，就職于國內(nèi)某知名企業(yè)，主要從事熱設計仿真工作。大佬們都還在努力，更何況自己還只是個學習者。希望通過微信公眾號拋磚引玉，結(jié)交更多志同道合的朋友。仿真之路漫漫其修遠矣，我將上下而求索。
電池熱管理仿真流程及前處理技術
上面兩個例子有個共同點是都保留了電芯的極耳和busbar，busbar的溫度在冷卻的時候能很好的反應模組的最高溫度，不論是研究busbar對模組最高溫度的影響【1】還是后期一維仿真的標定，都需要這個點的溫度，所以busbar在前處理建模的時候推薦保留。
再來看看流體域部分,液冷電池包主要通過冷卻液進行熱交換，所以此處流體域部門是指水冷板內(nèi)的水流道（包內(nèi)空氣處理方法將在以后章節(jié)講解），前處理需要注意的是盡可能保留內(nèi)部流道特征，特別是變徑，彎頭等一些局部阻力較大的區(qū)域，而盡量簡化管路外部特征，比如快插接頭，溫度傳感器等一些不直接參與換熱的元件，這樣能減少些網(wǎng)格量。
雖然現(xiàn)在EV的電池包電量越來越多，電池包也越做越大，但多數(shù)采用模塊化設計，包內(nèi)的熱管理系統(tǒng)也是如此，如下圖冷卻架構(gòu)，8塊水冷板采用4P2S的方式連接在一起，而這8塊水冷板內(nèi)部流道是相同的設計，所以前處理相對來說簡單。方案設計前期更是可以只做流體域CFD仿真計算單板流量，后期可以以分支為單位優(yōu)化水板流道設計，大大提高計算效率。
總體來說，前處理還是模組的難度大一點，需要保留哪些簡化哪些部件斟酌的點多一些。但也不是絕對，關鍵是看研究問題的關注點在哪，需要保留哪些和簡化哪些都可以靈活處理。
文末福利，關注公眾號：新能源汽車熱管理仿真技術，回復1，領取新能源熱管理資料。同時本人也在技術鄰平臺更新新能源動力電池熱管理仿真和設計課程如下：如需購買可添加VX：LEVEL_RGL領取優(yōu)惠券。
1、 基于starccm+在動力電池熱管理仿真技術應用、
2、新能源汽車PACK熱流體仿真進階20講
展開 設計仿真 | 齒輪感應加熱熱處理綜述
01 概述 OVERVIEW
對于齒輪的感應加熱熱處理過程，本文通過循環(huán)對稱齒輪模型的感應加熱案例簡單介紹Marc的相變熱處理仿真方法和流程。
循環(huán)對稱模型仿真須滿足模型結(jié)構(gòu)和邊界條件都遵循循環(huán)對稱條件，從而在很大程度縮減模型規(guī)模、簡化模型，減少求解時間和內(nèi)存需求，實現(xiàn)更精細的網(wǎng)格，更詳細地研究模型。
在整體齒輪簡化為循環(huán)對稱的模型后，進行感應加熱，淬火連續(xù)工藝過程仿真，發(fā)現(xiàn)齒輪淬火導致奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)換，從而在相變區(qū)域獲得更好的材料性能；但也會在齒輪內(nèi)部引入各種殘余應力，從而改變其機械性能。
02 模型建模細節(jié) Model modeling details
齒輪有18個齒，采用循環(huán)對稱只建立一個齒牙，再進行厚度方向?qū)ΨQ定義，然后進行有限元網(wǎng)格劃分。感應加熱階段，電磁線圈內(nèi)定義150kHz頻率的1200A感應電流進行齒輪加熱，加熱時間2s，然后關閉感應線圈，進行淬火冷卻，冷卻時間7s內(nèi)。
圖1 齒輪含空氣的簡化模型
為正確計算電磁場，另外需要對齒輪周圍的空氣進行建模，齒輪附近的空氣已采用精細網(wǎng)格建模（接觸體：InnerAir和BelowGearAir），而遠離齒輪的空氣則采用粗網(wǎng)格建模（接觸體：OuterAir）。線圈的扇區(qū)是單獨建模的，這樣它就可以在施加電流的電路中使用。圖1所示。
03 邊界條件 Boundary
3.1 電流
當施加電流時，假設該電流在線圈內(nèi)是恒定的。當截面中線圈的長度與整個線圈的長度不同時，不需要改變。當使用反對稱或循環(huán)對稱并且電流垂直于反對稱或周期對稱平面時，通常是這種情況。當由于對稱性，線圈的橫截面積減少時，電流應減少相同的量。
3.2 電壓
與此相反，當施加電壓時，電壓降沿著線圈的長度發(fā)生。因此，當對線圈總長度的1/n進行建模時，也應施加電壓降的1/n。
展開 基于STAR-CCM+電池熱管理仿真中交界面interface處理
但是對于原本已經(jīng)存在的boundary（interface_l-shell），其熱規(guī)范該如何設置呢？默認狀態(tài)下這里是絕熱的。
圖2
個人認為，在沒有特殊要求的話，此處就是保持默認設置即可。之前我覺得此處明明是流固的對流換熱面，是存在著熱量交換的，怎么絕熱？后來，我思考了之后，真正的換熱面是圖1所示的，是建立在有交界面的時候的，熱交換的物理過程是發(fā)生在此處，這是個虛擬面，點擊此處，在視窗區(qū)域也是沒有對應顯示的，也驗證了這一點。
但圖二中面，比如xt外面沒有設置空氣，那么xt外面對于環(huán)境就沒有交界面，但xt和外界有對流和輻射換熱，如果不想建立外面的空氣域，可以域的里面改變交接的外界的傳熱方式，方便計算，如圖4.
圖3
圖4
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同時本人也在技術鄰平臺更新新能源動力電池熱管理仿真和設計課程如下
1、 基于starccm+在動力電池熱管理仿真技術應用、
2、新能源汽車PACK熱流體仿真進階20講
3、新能源動力電池熱管理設計入門到進階23講
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RP 系列激光分析設計軟件 | 如何處理仿真中的熱透鏡效應
在許多激光器或放大器設備中，熱透鏡起著重要的作用，因此應該在數(shù)值模擬中加以考慮。
在本文中，我首先簡要描述了熱透鏡的來源，然后向您展示如何在我們的軟件中處理這種效應。
什么是熱透鏡？
當激光增益介質(zhì)(例如激光晶體)被泵浦時，通常會產(chǎn)生一些熱量，這些熱量隨后需要通過熱傳導帶走。因此不可避免地會在增益介質(zhì)中形成溫度梯度。形成激光的熱透鏡效應與以下物理機制相關:
折射率與溫度相關。
晶體內(nèi)部的機械應力也會改變折射率(光彈性效應)。
此外，機械應力會導致端面凸出，使激光晶體具有透鏡的形狀。
在一般情況下，首先提到的影響因素往往是最主要的。下圖顯示了一般情況下數(shù)值計算的溫度曲線。
圖1:模擬端面泵浦Nd:YAG棒的橫向泵浦強度分布(紅色)和熱分布(藍色)。溫度分布僅在晶體中心附近近似為拋物線，因此光束半徑等于泵浦光束半徑的激光模式將產(chǎn)生一些像差。
諧振腔設計中的熱透鏡效應
我們的諧振器設計軟件RP Resonator基于ABCD矩陣算法計算激光諧振腔的模式特性。(準確地說，它使用一種擴展矩陣(ABCDEF矩陣)來處理錯位影響，但這與我們的上下文無關。)
這里，只能處理拋物線形狀的透鏡效應，即沒有球差的透鏡效應。軟件可以很容易地定義熱透鏡效應的分布，例如，激光晶體被定義為一個“棱鏡”，因此可以指定參數(shù)n2，它是折射率的徑向相關性的二階系數(shù):n(r)= n0-0.5n2r2 。 這個參數(shù)可以簡化為熱透鏡的屈光度除以晶體長度。 屈光度可以從別處得知，或者至少在簡化的情況下，可以用簡單的公式從耗散功率密度計算出。 一種常見的情況是提供一根至少在激光束體積內(nèi)被均勻泵浦的圓柱形棒。
原則上，也可以將具有一定屈光力的薄透鏡插入到激光晶體的左側(cè)或右側(cè)，或者當將激光晶體分成兩部分時，插入到激光晶體的中間。
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