利用ABAQUS有限元對凹模進(jìn)行熱處理分析

安徽方圓機電股份有限公司(蚌埠 233010)周 良

一、ABAQUS簡介及熱分析

ABAQUS 是國際著名的CAE 軟件，它以其強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，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大的功能，它不但具有快速的網(wǎng)格劃分能力和強大的結(jié)果后處理功能，而且還具有非常友好的人機交互界面。有限元方法將問題在空間中離散化，對于瞬態(tài)傳熱問題，控制方程也必須通過時間積分進(jìn)行求解，在ABAQUS 中對瞬態(tài)固體傳熱進(jìn)行時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，即模具的溫度場隨著時間的變化而變化。瞬態(tài)傳熱是擴散主導(dǎo)的過程在對一些對外界條件改變的響應(yīng)中，開始時溫度隨時間的變化很快，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，從而得到工件在熱處理后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及應(yīng)力場分布情況。首先創(chuàng)建部件，導(dǎo)入CAD平面圖，啟動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間后的模具溫度場分布及模具達(dá)到理論控制溫度時的溫度場分布。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)、熱對流和熱輻射。熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個物體之間或一個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。熱對流可以分為兩類：自然對流和強制對流。熱對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，單位時間輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對流都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無需任何介質(zhì)。實質(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，只考慮熱傳導(dǎo)和熱對流兩種熱傳遞方式。

2.ABAQUS前處理

溫度對校正凹模淬火過程的影響是顯著的，校正凹模的溫度場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建立凹模的三維實體模型（見圖1），并輸出到IGES格式。

3.實體模型創(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)點數(shù)越多，則解的精度越高，但同時所費的計算時間也越長，計算機的數(shù)據(jù)存儲量也越大。另一方面，在同樣節(jié)點數(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計算精度的影響也是相當(dāng)大的。所以，這就要求事先對所要分析的場域中場的分布有一個初步了解，以便在網(wǎng)格剖分時能做到比較合理的剖分，達(dá)到較高的計算精度。

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)相對較簡單，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，同時對其進(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。

考慮到模型對稱性和計算效率，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)力場分析

殘余應(yīng)力場分析如圖4所示。在溫度場基本相同的情況下，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