基于abaqus的某法兰盘的感应淬火的残余应力场模拟.pdfVIP

基于Abaqus的法兰盘的感应淬火的残余应力场仿真

载运工具运用工程1001班吴越S1004105

一．仿真对象的提出与建模要点：

表面感应淬火是一种常见的热处理工艺，其原理是使用感应器来对工件的局部进行加

热，然后迅速冷却，从而使工件表面产生残余压应力（residualstress），抵消工件在工作中

的载荷所产生的一部分拉应力。表面淬火可显著提高工件弯曲疲劳抗力和扭转疲劳抗力，工

件表面产生的马氏体具有良好的耐磨性。

本例中，法兰盘经过表面感应淬火后，淬硬层如图-1所示，由试验测得法兰盘的内援

交表面残余压应力约为-420MPa。法兰盘的一端固定，另一端的整个端面受到向下的面载荷

p=100MPa。法兰盘内孔直径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，并分析此残余应力在缓和应力集

中方面所起的作用。

图-1淬硬层由红色区域180°扫略生成

使用Abaqus可以模拟感应淬火的完整过程，即通过分析工件和感应器之间以及工件和

冷却液之间的传热过程来确定工件的温度场，从而得到相应的塑性应变场和冷却后的残余应

力场。但是这一模拟过程比较复杂，我们选择一种模拟残余应力场的简化方法：

设置整个模型的初始温度为20℃，在分析步（Step）中令淬硬层区域的温度升高至某个

温度值T（如120℃），其余区域的温度仍保持在20℃。这种温度差异会使高温区域产生压

high

应力，相当于所要模拟的残余压应力。经过几次试算，就可以找到合适的T，使法兰盘的

high

内圆角的表面压应力与试验结果大致吻合。施加工作载荷时，仍保持上述温度场不变，就可

以模拟在残余应力作用下的应力场。

上述方法的优点是比较简便，不必进行复杂的传热分析和热弹塑性分析，并且通用性强，

可以用于模拟各种不同工艺所产生残余应力场，但其缺点是模拟精度不高，通过选择T

high

只能保证工件局部区域的压应力值较准确，一种改进方法是为淬硬层的不同区域设定不同的

温度值T，从而得到与试验结果更加接近的残余应力场。在本例中，为简单起见，值为整

high

个淬硬层设定单一的温度值T=120℃。

high

二．零件建模：

本分析过程需要考虑以下问题：

（1）此问题研究的是结构的静态响应，所以分析步选择Static，General（使用

Abaqus/Standard为求解器）。

（2）尽管几何模型和残余应力场都具有几何对称性，但是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，只对法兰盘的一半进行建模。

（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（20

节点六面体二次缩减积分实体单元）。

该法兰盘的二维CAD模型已经在绘图软件中建好如图-2所示，直接导入Abaqus，使

用sweep（扫略）功能构建三维实体，如图-1所示。

图-2主要几何参数

在扫略完成后，根据图-2中不规则弧线CD（淬硬层分界线）分割实体，将实体分割为

淬硬层和非淬硬层。

完成后即可划分网格。设置全局种子（seed），其种子间距设为2.8mm（Approximate

GlobalSize=2.8）；淬硬层种子间距设为1.5mm。工件模型边上的种子则是根据种子数布置，

每条180°的边线上均布30个种子。

完成种子设置后，即可根据如下表-1、2要求设置网格参数，并将单元类型设为Quadratic

（二次单元），单元类型选择为C