风电主轴热处理过程数值模拟及技术研究(2)

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2.3.1 温度场控制方程 11

2.3.2 热处理过程的初始条件和边界条件 12

2.3.3 热物性参数在温度场的计算 12

2.4 大型轴类锻件应力场模型的建立 13

3 大型轴类锻件热处理过程数值模拟 14

3.1 轴类锻件热处理的数值模拟过程 14

3.2 轴类件热处理过程温度场数值模拟结果分析 16

3.3 轴类件热处理过程应力场数值模拟结果分析 22

结论 26

致谢 27

参考文献 28

1 绪论

1.1 概述

风电主轴是风能发电机关键零部件之一，属于大型轴类锻件中的一种。大型锻件是冶金、能源、交通和化工等重大装备上的关键性零部件，对其所要求的各项力学性能都比较高，而这些指标都是靠热处理来获得的[1]，而且大型锻件锻后性能、组织极不均匀，亦需通过热处理进行改善[2]，热处理是保证产品内部质量、满足性能要求的关键环节。随着大型锻件的尺寸和重量的增加，热处理时有效厚度也随之发生变化。由于截面的增大，不可避免地存在成分偏析、非金属夹杂、显微空隙等冶金缺陷，再加上相变潜热的影响，在加热和冷却过程中产生的应力较大，极易引起工件的畸变和开裂[3] 。为了保证产品质量及性能要求，避免产生较大的残余应力，普遍采用保守热处理工艺，耗时较长,耗能较大，也会拖延产品投入市场的时间。因此，如何在保证质量的前提下缩短热处理周期，是改进热处理工艺的一个重要发展方向。文献综述

由于热处理过程中零件的内在性能和质量都无法直接观测，传统的热处理技术与机械工业现代化的要求不相适应[4]，因此热处理过程的数值模拟获得了前所未有的优越性。数值模拟的目的是揭示热处理过程中零件内部的瞬态温度场、组织变化、内应力或渗层浓度变化等,进而指导生产实践[5]，为工艺的确定和设备的选取提供了理论依据[6]。

文献[4]反映了热处理过程数值模拟的不足，主要表现为:（1）模型难以定量描述现象；(2) 应力对形核率的影响难以表达；(3) 材料参数不完整；(4) 相变塑性理论还未成熟；（5）表面换热系数的测算还很不精。

1.2 大型锻件的热处理工艺研究现状

1.2.1 锻件的热处理工艺方法

1.2.2 热处理工艺的重点及发展展望

1.3 热处理过程数值模拟研究概况

1.3.1 国内外研究概况

1.3.2 数值模拟在热处理中的应用

1.4 DEFORM 有限元软件介绍

DEFORM(Design environment for forming)是由美国 Battel Columbus 实验室在八十年代早期着手开发的一套有限元分析软件。该软件能够分析金属加工和相关工业问题中各种成型和热处理过程。不同于其他通用有限元软件，DEFORM 主要用于变形过程的模拟，是基于过程模拟系统的有限元软件[8]。来~自^751论+文.网www.751com.cn/

DEFORM 可以模拟在热处理中变形、温度、组织转变和扩散之间的复杂耦合。其耦合关系如下图1-1所示。在热处理模拟中，只要用户输入这些耦合关系，DEFORM 会自动完成计算。该软件中的一个最重要的特征是具有强大而完善的网格自动再划分功能，该技术解决了复杂大变形难以模拟的问题。DEFORM 软件的整体模块结构由前处理器、有限元求解器和后处理器三大模块组成。