安徽方圓機(jī)電股份有限公司(蚌埠 233010)周 良
ABAQUS 是國際著名的CAE 軟件,它以其強(qiáng)大的非線性分析功能以及解決復(fù)雜和深入的科學(xué)問題的能力贏得廣泛稱譽(yù),擁有大量不同種類的單元模型、材料模型和分析過程等。ABAQUS在處理熱分析問題方面具有強(qiáng)大的功能,它不但具有快速的網(wǎng)格劃分能力和強(qiáng)大的結(jié)果后處理功能,而且還具有非常友好的人機(jī)交互界面。有限元方法將問題在空間中離散化,對(duì)于瞬態(tài)傳熱問題,控制方程也必須通過時(shí)間積分進(jìn)行求解,在ABAQUS 中對(duì)瞬態(tài)固體傳熱進(jìn)行時(shí)間積分的操作是利用后向差分算法。
模具加熱過程屬于瞬態(tài)傳熱問題,即模具的溫度場(chǎng)隨著時(shí)間的變化而變化。瞬態(tài)傳熱是擴(kuò)散主導(dǎo)的過程在對(duì)一些對(duì)外界條件改變的響應(yīng)中,開始時(shí)溫度隨時(shí)間的變化很快,然而到后期,可以看到溫度的緩慢變化。
使用ABAQUS模擬校正凹模淬火的全過程,通過分析凹模與淬火液、凹模與冷卻液之間的傳熱過程來確定凹模的溫度場(chǎng),從而得到工件在熱處理后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及應(yīng)力場(chǎng)分布情況。首先創(chuàng)建部件,導(dǎo)入CAD平面圖,啟動(dòng)ABAQUS/CAE,選擇Create Model Database。導(dǎo)入平面圖后再創(chuàng)建試樣,進(jìn)入Part功能模塊,對(duì)導(dǎo)入的部件創(chuàng)建試樣,隨后定義材料特性,劃分網(wǎng)格。對(duì)模具的加熱過程進(jìn)行瞬態(tài)模擬,獲得模具在加熱到一定時(shí)間后的模具溫度場(chǎng)分布及模具達(dá)到理論控制溫度時(shí)的溫度場(chǎng)分布。由于模具壁厚差較大,且模具淬火冷卻過程中不同方向的散熱速度有較大差異,因此,在這里設(shè)定模具在水冷卻時(shí)的內(nèi)外最大溫差為180~200℃,以此來探討模具加熱過程溫度場(chǎng)的模擬。
模具在加熱過程有三種熱傳遞方式:熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律。
熱對(duì)流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間,由于溫差的存在引起的熱量的交換。熱對(duì)流可以分為兩類:自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來描述。
熱輻射指物體由于具有溫度而輻射電磁波,并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體溫度越高,單位時(shí)間輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流都需要有傳熱介質(zhì),而熱輻射無需任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上,在真空中的熱輻射效率最高。本文在用ABAQUS模擬模具加熱過程時(shí),只考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流兩種熱傳遞方式。
溫度對(duì)校正凹模淬火過程的影響是顯著的,校正凹模的溫度場(chǎng)均勻程度是影響模具淬火質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在模具熱處理工藝中,加熱的熱源分布在凹模的內(nèi)、外部。熱處理過程中仍采用硝鹽爐加熱方式,使用三維建模軟件Solidworks建立凹模的三維實(shí)體模型(見圖1),并輸出到IGES格式。
為了方便查看各單元剖分情況,判斷合理性,還要繪制網(wǎng)格剖分圖,節(jié)點(diǎn)數(shù)越多,則解的精度越高,但同時(shí)所費(fèi)的計(jì)算時(shí)間也越長,計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量也越大。另一方面,在同樣節(jié)點(diǎn)數(shù)的條件下,網(wǎng)格單元在區(qū)域中的疏密配置的合理性對(duì)計(jì)算精度的影響也是相當(dāng)大的。所以,這就要求事先對(duì)所要分析的場(chǎng)域中場(chǎng)的分布有一個(gè)初步了解,以便在網(wǎng)格剖分時(shí)能做到比較合理的剖分,達(dá)到較高的計(jì)算精度。
在ABAQUS中導(dǎo)入IGES格式的凹模三維模型;選擇分析所需的單元類型Solid186;定義凹模的材料屬性,對(duì)于本分析來說,彈性模量和線膨脹系數(shù)是必須定義的,分別為:E=2×1011Pa,a=10×10-6/℃。另外,泊松比設(shè)定為0.3。
由于本校正凹模的結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單,網(wǎng)格劃分后如下,在ABAQUS軟件中建模不方便,先利用Solidworks參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件的模具模塊進(jìn)行建模,然后利用ABAQUS/Multiphysics 中的ABAQUS Connection For Pro/E模塊實(shí)現(xiàn)與Solidworks的掛接,這樣當(dāng)在Solidworks中建好模型后就可以通過菜單里的“ABAQUS GEOM”直接啟動(dòng)ABAQUS,并打開已建好的模型,避免了通過IGS格式導(dǎo)入ABAQUS后出現(xiàn)的“破面”、“曲面變形”等,導(dǎo)入模型后設(shè)定模具的材料屬性,同時(shí)對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分和加載。圖2是在ABAQUS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的校正凹模。
考慮到模型對(duì)稱性和計(jì)算效率,使用二分之一模型進(jìn)行分析,網(wǎng)格尺寸3mm,采用六面體和五面體網(wǎng)格的組合。網(wǎng)格模型見圖2。
初始溫度場(chǎng)800℃,冷卻后零件表面溫度60℃,環(huán)境溫度20℃。
新建分析項(xiàng)目,分析類型為靜態(tài)分析,如圖3所示。定義載荷:uniform temperature設(shè)定為凹模的出爐溫度820℃,Reference Temperature設(shè)定為冷卻后溫度50℃。節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布如下。

圖1

圖2

圖3
由圖3a、3b可以知:相同的冷卻時(shí)間,在比熱和熱導(dǎo)率一致的情況下,密度越大,冷卻越慢。在材料一致的情況下,冷卻速度越快,換熱系數(shù)越大,冷卻越快。
殘余應(yīng)力場(chǎng)分析如圖4所示。在溫度場(chǎng)基本相同的情況下,T10A比T8A的熱膨脹系數(shù)大,所以T10A表面殘余應(yīng)力應(yīng)力較大。
在材料一致的情況下,散熱越快,冷卻越快,表面殘余應(yīng)力越大。鋼加熱隨后急冷,得到的表面殘余應(yīng)力全部是壓應(yīng)力,表面的殘余壓應(yīng)力有利于零件的使用性能。對(duì)比兩種材料,T10A表面殘余壓應(yīng)力較大,所以T10A優(yōu)于T8A。冷卻速度加快,表面殘余壓應(yīng)力增大。


圖4