高壓氣體淬火過程的數(shù)值模擬.pdf

1、高壓氣淬過程的物理場(chǎng)包括氣淬爐內(nèi)的流場(chǎng)、氣體和金屬的溫度場(chǎng)、金屬的相變和組織、金屬的內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變。高壓氣淬過程的數(shù)值模擬就是模擬上面多場(chǎng)的耦合作用。對(duì)于流體和金屬的傳熱傳質(zhì)過程模擬，用有限差分法或者有限體積法模擬比較成熟；金屬的相變、內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算，采用有限元法比較成熟。研究中采用了有限體積法軟件FLUENT計(jì)算氣體的流場(chǎng)，氣體和金屬的溫度場(chǎng)，以及金屬的相變過程；在FLUENT中調(diào)用有限元軟件FEPG，用于計(jì)算金屬內(nèi)的應(yīng)力和變形。

2、 由于FLUENT和FEPG采用了不同的網(wǎng)格系統(tǒng)，因此在調(diào)用FEPG前，需要由FLUENT計(jì)算的溫度場(chǎng)用插值的方法計(jì)算出FEPG需要的溫度場(chǎng)。這就需要判斷FLUENT網(wǎng)格和FEPG節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系，需要比較復(fù)雜的編程工作。而由于FLUENT只提供了C語言的二次開發(fā)接口，開發(fā)較大的程序比較困難，因此如果可能，有必要找出一種方法，使用戶在VC++集成環(huán)境下用面向?qū)ο蟮姆椒▉韺?duì)FLUENT進(jìn)行二次開發(fā)。FEPG是一個(gè)有限元程序生成器，生成F

3、ORTRAN語言的有限元程序。由于當(dāng)前FORTRAN已經(jīng)過時(shí)，且用FORTRAN開發(fā)大型程序比較困難，因此，有必要將FORTRAN程序轉(zhuǎn)換成C++，在VC++環(huán)境下對(duì)FEPG進(jìn)行二次開發(fā)。 在VC++環(huán)境下編譯動(dòng)態(tài)庫，只要用相應(yīng)的宏通知編譯器，編譯器就能用C語言的格式編譯函數(shù)和變量，對(duì)于要調(diào)用的C語言庫，也只要在頭函數(shù)前加上相應(yīng)的宏，編譯器就能按C的接口格式調(diào)用函數(shù)。遵照這個(gè)原理，提出并編寫了一個(gè)讓用戶方便在VC環(huán)境中用C++對(duì)

4、FLUENT二次開發(fā)的工具。 FORTRAN語言和C語言都包括變量和數(shù)組定義、數(shù)學(xué)計(jì)算、跳轉(zhuǎn)語句、循環(huán)語句、文件操作等。對(duì)它們的語句進(jìn)行對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換，就能將FORTRAN有限元語句轉(zhuǎn)換成C語句，讓FLUENT等程序直接調(diào)用C版有限元程序。提出并編寫了一個(gè)將FEPG工程轉(zhuǎn)換成C++工程的工具，用戶可以方便的用C++對(duì)FEPG進(jìn)行二次開發(fā)。 論文分析了流體的控制方程，其分別由質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒推導(dǎo)而來，分析了在湍流狀態(tài)

5、下控制方程的表達(dá)形式，用有限體積法對(duì)公式的離散作了推導(dǎo)。用有限體積法軟件FLUENT對(duì)高壓氣淬爐內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)做了計(jì)算。計(jì)算的邊界條件包括氮?dú)膺M(jìn)口的流速和溫度、出口壓力。計(jì)算中考慮了氮?dú)夂徒饘僭诓煌瑝毫蛘邷囟葪l件下物性參數(shù)的變化。計(jì)算中考慮了金屬內(nèi)部的鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體相變，以及相變對(duì)溫度場(chǎng)的影響。除馬氏體相變外，其他相變的孕育期采用了累加法，所有相變量的計(jì)算采用了相應(yīng)的Avrami公式。在每一計(jì)算時(shí)間步結(jié)束，金屬內(nèi)部溫

6、度場(chǎng)數(shù)據(jù)通過插補(bǔ)運(yùn)算，得到FEPG結(jié)點(diǎn)的溫度分布，用于后面的有限元計(jì)算。 論文分析了固體的彈塑性模型。模型考慮了彈性應(yīng)變、溫度變化引起的應(yīng)變、相變引起的應(yīng)變、塑性應(yīng)變。用實(shí)例計(jì)算了H13模具在高壓氣淬過程中的變形。模擬和實(shí)測(cè)的結(jié)果相符合。 研究實(shí)行了用有限元方法實(shí)現(xiàn)了換熱系數(shù)反求法。用二維和三維的有限元法，可以考慮金屬換熱面對(duì)換熱系數(shù)的影響。用計(jì)算的換熱系數(shù)驗(yàn)證試件中心的換熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)計(jì)算溫度和實(shí)測(cè)溫度相符。 為