[发明专利]一种1045钢淬火过程热流固耦合仿真建模及实验方法

说明书

本发明公开了一种1045钢淬火过程热流固耦合仿真建模及实验方法，包括以下步骤：S1、1045钢淬火过程中的热流固耦合仿真建模；S2、模型优化；S3、热流固耦合模型实验验证。本发明避开了对复杂的传热系数的测量计算，克服动态热边界条件难以确定的问题，用实验数据来优化仿真效果，再通过仿真来优化工艺并进而指导实际淬火生产。

技术领域

本发明涉及热处理数值模拟技术领域，具体为一种1045钢淬火过程热流固耦合仿真建模及实验方法。

背景技术

随着现代科技的发展，机械零件的性能要求也在逐步地提高，对其可靠性也有了更高的标准。在金属零件的生产制造中，淬火是生产具有高强度、高硬度、高耐磨性等可靠使用性能工件的常用工艺，虽然它是以钢为基础的生产的重要组成部分，但它也是导致部件报废、生产损失和需要返工的主要原因之一。在这个过程中，工件尺寸、材料成分、淬火介质、淬火温度等都与换热有直接的关系，是决定淬火后变形、组织分布和残余应力的重要因素，这使得对构件的淬火状态的预测和控制成为实现生产目标的关键过程。有限元方法在淬火模拟中得到了广泛的应用，许多通用有限元程序包可用于解决工程中涉及的大量问题。随着工件的精度要求的提高，工件的设计、实验成本也随之提高，但是如今计算机模拟技术的不断完善，借助计算机的求解能力求解热处理过程中的物理模型，可以有效地压缩设计前期的时间成本和经济成本，为后期的试验环节提供数据支持；

淬火过程的计算机模拟已经成为预测被淬火零件的温度场、显微组织和力学性能的一种经济而重要的工具，但是仍有许多问题阻碍了它们的使用，现有仿真软件进行淬火仿真时，主要还是以工件为单一对象，把淬火介质与工件之间的换热系数作为动态热边界条件，换热系数是零件表面和淬火介质温度以及介质搅动的函数，所以换热系数的获取、精度以及获取后的适用场景都是大挑战，直接影响到结果的准确度。在生产实际中，试错法和冗余法是解决问题最常用的办法，但是这种方法需要经过多轮的生产确保工艺的可靠性，需要花费很多的时间和经济成本‘

结合上述的问题，为此，我们提出了一种1045钢淬火过程热流固耦合仿真建模及实验方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种1045钢淬火过程热流固耦合仿真建模及实验方法，实现淬火介质和淬火工件的直接耦合模拟，克服传统淬火模拟中换热系数的掣肘。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。

S1、1045钢淬火过程中的热流固耦合仿真建模：进行1045钢淬火过程中热流固多场耦合仿真，热流固耦合模型中采用有限体积法实现流场的离散求解，样品温度场与应力场耦合计算采用有限元法实现，采用壁面函数的方法，结合MPCCI软件实现流-固交界面的耦合计算，实现流固界面的热通量平衡，避开对复杂的传热系数的测量计算过程，克服动态热边界条件难以确定的问题，求解出流场、温度场、应力场、组织场之间的耦合关系，基于热流固耦合模型，更直观地分析淬火过程中工件各物理场的变化；

S2、模型优化：在淬火冷却过程中，淬火槽的结构设计对于工件的淬火质量影响是非常大的，淬火槽的结构和工件都是影响流场的因素，考虑淬火槽结构设计和工件布置，分析结构对流场带来的影响以及对温度场的改变；并且在淬火冷却传热过程中会经历三个阶段，出现气液两相的情况，把冷却过程中的传热现象在仿真过程中表现，能够更准确的分析淬火过程中各物理场的变化；

S3、热流固耦合模型实验验证：采用直径为25mm的1045钢圆柱体淬火实验，测量实验过程中淬火槽中流场的变化和1045钢样品的温度变化，对比仿真模拟的实时数据，用实验数据来优化仿真效果，再通过仿真来指导淬火工艺优化。

优选地，所述步骤S1中的流场的离散求解是在流体控制方程和欧拉多相流的理论框架下，通过有限体积法对淬火介质进行离散求解，在考虑沸腾时的情况下，得到温度、速度与时间的函数。