利用ABAQUS有限元對(duì)凹模進(jìn)行熱處理分析

安徽方圓機(jī)電股份有限公司(蚌埠 233010)周 良

一、ABAQUS簡(jiǎn)介及熱分析

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。

二、校正凹模加熱過程溫度場(chǎng)模擬

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。

1.校正凹模加熱過程中的熱傳遞方式

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。

2.ABAQUS前處理

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。

3.實(shí)體模型創(chuàng)建及載荷加載

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。

4.劃分網(wǎng)格

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℃。

5.求解過程

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。

三、殘余應(yīng)力場(chǎng)分析

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