基于ABAQUS的7050铝合金试件淬火温度场及热应力场模拟研究

来源:金属热处理标准应用手册作者:张覃轶

本文关键词:基于ABAQUS的7050铝合金试件淬火温度场及热应力场模拟研究,由笔耕文化传播整理发布。


【摘要】:自20世纪20年代德国科学家W.桑德尔和K.L.麦斯纳发现Al-Zn-Mg合金经淬火时效处理后具有很高的强度以来,固溶时效和淬火冷却技术已成为当今材料强化技术中极具潜力的技术之一,通常作为对零件的内部组织和性能的最后调整,成为保证工件质量的最重要的一道工序。然而人们在通过淬火处理获得特定的组织以满足较高的性能和质量要求的同时,往往伴随着瞬时应力以及热处理后的残余应力,这类应力的存在会导致工件变形甚至开裂,对工件的质量和寿命有很大的影响。而淬火冷却又是一个相当复杂的过程,受多种因素影响,各影响因素之间又相互作用、相互制约,因此传统的方法不能完整、全面和准确地分析及预测淬火过程的温度场和热应力场。 为了深入研究铝合金材料淬火技术的应用,预测工件淬火后的应力分布情况,本论文综合分析了淬火冷却数值模拟技术的研究状况,借助有限元软件ABAQUS建立了7050铝合金工件淬火冷却过程中温度场和热应力场的数值模型,研究了工件淬火冷却时的温度场和热应力场分布,讨论了主要计算结果和结论,并对数值模拟结果的误差来源进行了分析。 研究结果表明:1、ABAQUS有限元分析软件可实现铝合金材料淬火冷却时热物性参数和高温力学性能参数非线性情况下温度场和热应力场的数值模拟。2、温度场模拟结果表明,应力框试件冷却过程存在一个临界时间tc,当冷却时间小于tc时刻,细杆比粗杆的冷却速度快,在tc时刻时,粗杆和细杆温度差达到最大但冷却速度相等,当冷却时间大于tc时刻时,粗杆的冷却速度大于细杆冷却速度。3、应力场模拟结果表明,淬火过程中细杆部位经历从拉应力转变为压应力的过程,粗杆部位经历从压应力转变为拉应力的过程,并最终呈现细杆压应力,粗杆拉应力的空间分布特征。此外,在淬火冷却过程中应力框试件呈逐渐收缩趋势,淬火开始阶段试件表层和心部应力值不断增大,直至冷却结束时热应力值趋于平缓,并达到最大值。
【关键词】:7050铝合金 数值模拟 应力框 温度场 热应力场
【学位授予单位】:昆明理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TG166.3
【目录】:

摘要3-4

ABSTRACT4-8

第一章 绪论8-26

1.1 引言8-9

1.2 国内外高强铝合金的发展概况9-10

1.3 铝合金热处理工艺概述10-12

1.3.1 铝合金的固溶处理10-11

1.3.2 铝合金的时效处理11

1.3.3 铝合金热处理工艺参数对变形的影响11-12

1.3.4 铝合金热处理缺陷12

1.4 残余应力12-18

1.4.1 残余应力的研究概况12-14

1.4.2 残余应力的分类14

1.4.3 残余应力的产生原因14-16

1.4.4 残余应力对力学性能的影响16-17

1.4.5 残余应力的调整和消除17

1.4.6 残余应力的测量技术17-18

1.5 有限元法在数值计算中的应用18-20

1.5.1 有限元法的发展18-19

1.5.2 有限元法的优越性和局限性19

1.5.3 有限元软件ABAQUS19-20

1.6 热处理过程中的有限元模拟20-22

1.6.1 热处理数值模拟技术概况20-21

1.6.2 耦合传热的热应力场数值模拟21-22

1.7 本课题研究的目的及内容22-26

1.7.1 课题研究目的22-23

1.7.2 研究内容及技术路线图23-26

第二章 淬火时温度场及热应力场计算的理论基础26-38

2.1 淬火时温度场的计算26-28

2.1.1 温度场控制方程26-27

2.1.2 温度场的初始条件27

2.1.3 温度场的边界条件27-28

2.2 淬火时热应力场的计算28-30

2.2.1 热应力场数值模拟的力学模型28-30

2.3 淬火冷却时的表面换热系数及确定方法30-33

2.3.1 淬冷时的表面换热系数30-32

2.3.2 换热系数的选定32-33

2.4 7050铝合金试件淬火时的主要热物性参数33-37

2.5 小结37-38

第三章 ABAQUS计算淬火冷却温度场和热应力场及结果分析38-54

3.1 ABAQUS分析步骤38-39

3.2 温度场的数值模拟39-41

3.2.1 ABAQUS软件计算淬火温度场的前处理39-41

3.3 应力场的数值模拟41-42

3.4 温度场求解结果与分析42-46

3.5 热应力场求解结果与分析46-50

3.6 ABAQUS模拟结果的可靠性分析50-51

3.7 有限元数值模拟结果误差分析51-53

3.7.1 温度场模拟过程产生的误差51-52

3.7.2 热应力场模拟过程产生的误差52-53

3.8 小结53-54

第四章 ABAQUS有限元软件在实际生产中的应用54-60

4.1 几何建模与单元选择54

4.2 温度场的模拟54-55

4.3 热应力场的模拟55

4.4 计算结果与分析55-60

4.4.1 温度场求解结果与分析55-58

4.4.2 热应力场求解结果与分析58-60

第五章 结论60-62

参考文献62-66

致谢66-68

附录 攻读硕士期间研究成果68-70

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