ANSYS钢铁零件淬火热力学耦合有限元分析(7)

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1.3.2 有限元求解的基本步骤

　　第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。

　　第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。

　　第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。

第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。文献综述

第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数连续性建立在结点处。

第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算[21]。

1.3.3 ANSYS 软件简介

ANSYS软件是融结构，热，流体，电磁，声学多物理场于一体的大型通用有限元分析软件。主要包括三个部分：前处理模块，求解模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具；求解模块包括几乎所有领域的分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以各种所需要的方式显示出来。

热分析是ANSYS软件分析功能中的一个模块。ANSYS进行热分析的基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元（包括若干节点），然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每个节点处的热平衡方程，由此计算出个节点温度，继而进一步求解出其他相关量。

ANSYS软件的热分析功能主要包括稳态热分析，瞬态热分析，热辐射，热应力等，以及热有关的耦合场分析。淬火过程属于热分析中的瞬态热分析。

1.4 ANSYS研究和应用

1.4.1 ANSYS在实际工程应用

金属材料热处理冷却过程是一个极其复杂的过程，涉及了金属学和物理冶金学、传热学、弹塑性力学等学科内容。浸液淬火冷却是目前生产领域应用最为广泛的方法，同时也是存在问题最多、研究难度最大的领域之一，己成为目前热处理领域研究的热点之一[13]。

生产实践表明，淬火过程是热处理工艺中返修率最高和废品率最高的工序，是热处理质量控制中最难掌握的环节，它涉及到试件的温度场、显微组织场、应力(应变)场和介质的流场等，实际测量和理论分析难度都很大[22]。因此，淬火过程的深入研究对工程实际有重大的指导意义。

当前热处理生产的质量控制处理依靠生产过程的自动化(消除人为因素的影响)、工艺参数的严格在线控制和工艺效果的计算机模拟来实现，还力求实现过程控制的自适应化和智能化[23]。热处理技术的先进程度是保证机械制造技术先进与否和保证产品质量最关键的因素。传统的热处理技术不能对生产的结果进行精确的定量的预测。热处理工艺的制订在很大程度上依赖于现场工程技术人员的经验，难免带有不同程度的盲目性，影响到热处理质量的精确控制。经验型的热处理技术将成为企业信息流自动化的瓶颈。来!自~751论-文|网www.751com.cn