金属板材的温度场仿真及热应力分析

金属板材热仿真

热处理是决定零件内部组织与性能的一道热加工工序，采用淬火加回火工艺可以大大改善零件的机械性能，但同时不可避免地带来残余应力的不利影响。如果处理不当导致残余应力过大，不仅会影响零件的使用寿命，甚至会在淬火过程总产生裂纹或开裂。因此有必要提前通过仿真手段提前预测、控制零件的参与应力。

本实例模拟尺寸为0.2*1.25*11.0（单位：米）的钢材在锅炉内的热处理过程，计算其在特定温度曲线下的热应力。模型采用国际单位制，即牛、米、秒。

首先，新建一个模型，采用默认名称Model-1，鼠标右击模型打开Edit Attributes（图1），在弹出对话框中设置absolute零度及斯特藩-玻尔兹曼常量（图2）。

 二，在Part模块，点击Create Part，新建一个3D实体（图3），采用默认名称Part-1；考虑到对称性，将实体尺寸为实际零件的四分之一，即0.2*0.625*5.5（图4）。

三，创建材料模型，采用默认名称Material-1，其密度7800Kg/m3，弹性模量2.1E11Pa，泊松比0.3，线胀系数1.2E-5/℃，热导率50W/（m·K），比热450 j/(kg·℃），

四，创建基于材料Material-1的截面属性，其Type为Solid，Homogeneous（图6），点击OK后，将这个属性赋予新创建的Part-1（图7）。

五，进去Assembly模块，基于Part-1创建新的Instance，并且勾选Dependent type（图8）。

六，进入step模块，新建一个求解步（图9），点击Continue后，在弹出的Edit Step对话框中，Basic选卡片下设置如图10，Incrementation选项卡设置如图11。

七，进入Load模块，为四分之一模型建立如下位移约束：建立X方向和Y方向的对称性（图12及图13），并约束模型底部Z方向的位移（图14）。

八，进入Interaction模块设置温度载荷，在Step-1中定义热辐射传热（图14），点击Continue后，按住Shift键+鼠标左键，选择Part-1的顶面以及剩余的未施加对称边界条件的两个侧面，点击鼠标中键确认后，在弹出的Edit Interaction中填入辐射率0.85，然后再点击右下角Create Amplitude按钮，选择Type：Tabular，输入如图16所示温度加载曲线。

   九，进入Mesh模块，点击Assign Element Type，进行如图17所示的设置，将单元名称设为C3D8T。点击Seed Part Instance，将单元的Approximate global size设为0.05（图18）。然后再点击Mesh Part，完成零件网格的划分。

十，设置零件的初始温度。首先创建一个结点集用于施加零件的初始温度场，如图19所示，再左侧模式中，依次进入Model->Assembly->Sets，右击Sets选择Create，进行如图20的设置，点击Continue后框选零件的所有结点。

十一，再次进入Load模块，点击Create Predefined Field，进行如图21所示的设置，点击Continue后，选择第十步中创建的结点集，然后再新弹出的对话框中完成如图22所示的设置。

十二，将模型保存后，进入Job模块，点击Create Job后提交计算。计算完毕后，可以提取零件内各位置的应力值、应变值及温度值，如图23为结构某处的应力值。