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1、现代设计方法应用作业ABAQUS分析报告分析报告题目：基于有限元法的法兰盘感应淬火的残余应力场模拟 学生姓名：池宝涛学生学号：S140200293专业班级：机械3班学院名称：机械与运载工程学院完成时间：2014年11月8日 实例：法兰盘感应淬火的残余应力场模拟一、 问题描述:本实例中的法兰盘经过表面感应淬火后，淬硬层如图所示，由试验测得法兰盘的内圆角表面残余压应力约为130MPa。法兰盘的一端固定，另一端的整个断面受到向下的面载荷p=100MPa。法兰盘内孔直径为24mm，材料的弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3，线胀系数为1.35e-5/。要求模拟感应淬火所产生的残余应力场，并分析
2、此残余应力在缓和应力集中方面所起的作用。残余拉应力为130MPa 具有残余应力的法兰盘分析模型二、 模型建立与求解建模要点 设置整个模型的初始温度为20，在分析步中令淬硬层区域的温度升高至某个温度值Thigh，其余区域的温度仍保持20，这种温度差异会使高温区域产生压应力，相当于所要模拟的残余压应力。在本实例中，为简单起见，只为整个淬硬层设定单一的温度值Thigh=120。1） 此问题研究的是结构的静态响应，所以分析步类型应为Static，General。2） 尽管几何模型和残余应力场都具有轴对称性，但端面上的载荷不具有轴对称性，因此需要建立三维实体模型。3） 基于结构和载荷的对称性，可以只取模
3、型的1/2进行分析。4） 由于关心的是应力集中部位的应力状态，所以在模型中使用C3D20R单元。1.创建模型淬硬层的分界线 2.创建材料和截面属性 材料为钢材，弹性模量E=210000MPa，泊松比=0.3。1）材料特性2) 截面属性 截面类型定义为Solid，Homogeneous 3.定义装配件 本例中只有一个装配部件，组装时可选择dependent方式。 4.划分网格1） 分割部件的截面 沿淬硬层分界线将部件的截面分割为两个部分。 2） 分割部件 通过拉伸淬硬层分界线来分割整个部件。 3） 设置全局种子 4） 为截面上的淬火层区域布置种子 5） 布置边上的种子 6） 设置网格参数 淬硬层
4、以外区域的网格参数 淬硬层区域的网格参数 7） 设置单元类型 8） 划分网格5.设置分析步 1）第一个分析步hightemper-noload：令淬硬层区域的温度升高至120，其余区域温度仍保持20，不施加外载荷，模拟工件的残余应力场。 2）第二个分析步hightemper-withload：保持上述温度场不变（相应的的残余应力也不会变），施加外载荷p=100MPa。 3）第三个分析步lowtemper-withload：令整个工件的温度都变为20（即去掉残余应力），保持外载荷p=100MPa不变，从而得到没有残余应力时的应力场，用来与第二个分析步的结果相比较。6.定义集合和面 1）定义各个集
5、合 集合Set-Fix：法兰盘上施加固支边界条件的端面。 集合Set-Symm：法兰盘对称面的各个区域。 集合Set-hightemper：淬硬层所在的三维区域。 集合Set-lowtemper：淬硬层以外的区域。 2）定义施加载荷的面 选择施加载荷的断面。7.定义温度场 1）为淬硬层定义初始温度场（20） 2)在第一个和第二个分析步中使淬硬层的温度升高至120 3）在第三个分析步中使淬硬层的温度恢复到20 4）为淬硬层以外的区域定义温度场（20） 8.定义边界条件和载荷（1） 定义边界条件 1）固支边界条件BC-Fix 2）对称边界条件 （2） 定义面载荷 9.提交分析作业 10.后处理 1
6、）显示未变形图 2）查看变形图 3）查看云纹图查看残余应力的模拟结果23007号节点显示节点的Mises应力值第一个分析步hightemper-noload中的最小主应力即残余压应力，可以看出内圆角表面处23007号节点的最小主应力为133.332MPa，与残余压应力的实验结果130MPa基本吻合。因此本实例中将淬硬层区域的温度设为120是合适的。分析残余拉应力在缓解应力集中方面的作用23197号节点显示节点的Mises应力值 在第一个分析步hightemper-noload中，内圆角表面处23197号节点的残余压应力为245.103MPa。 在第二个分析步hightemper-withloa
7、d中存在残余应力，内圆角表面处23197号节点的最大主应力为452.808MPa。23197号节点 显示节点的Mises应力值 在第三个分析步lowtemper-withload中（没有残余应力），内圆角表面处23197号节点的最大主应力为582.214MPa。三、结果分析由以上结果分析可知：残余压应力显著降低了应力集中处的最大主应力，在内圆角表面处23197号节点处，最大主应力的降低量（582.214MPa-452.808MPa=129.406MPa）与残余压应力的值（130MPa）基本吻合。四、 总结和建议热处理残余应力是指工件经热处理后最终残存下来的应力，对工件的形状，尺寸和性能都有极为
8、重要的影响。当它超过材料的屈服强度时，便引起工件的变形，超过材料的强度极限时就会使工件开裂，这是它有害的一面，应当减少和消除。但在一定条件下控制应力使之合理分布，就可以提高零件的机械性能和使用寿命，变害为利。分析钢在热处理过程中应力的分布和变化规律，使之合理分布对提高产品质量有着深远的实际意义。例如关于表层残余压应力的合理分布对零件使用寿命的影响问题已经引起了人们的广泛重视。为了避免淬裂的产生，往往使用水-油双液淬火工艺。在此工艺中实施高温段内的快速冷却，目的仅仅在于确保外层金属得到马氏体组织；而从内应力的角度来看，这时快冷有害无益。其次，冷却后期缓冷的目的，主要不是为了降低马氏体相变的膨胀速度和组织应力值，而在于尽量减小截面温差和截面中心部位金属的收缩速度，从而达到减小应力值和最终抑制淬裂的目的。
