【文档说明】4-曲轴表面强化工艺仿真研究(北理工-廖日东).pptx，共(56)页，4.908 MB，由精品优选上传

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曲轴表面强化工艺仿真研究NumericalSimulationoftheCrankshaftSurfaceStrengthening廖日东LiaoRi-dong北京理工大学动力系统工程研究所ResearchCenterofPowerMachinery,Beijing

InstituteofTechnology曲轴及其常见的失效形式CrankshaftandCommonFailureForms轴颈异常磨损AbnormalWearofCrankshaftNeck扭转疲劳断裂Torsional

FatigueFracture弯曲疲劳断裂BendingFatigueFracture2常见的曲轴表面强化工艺CommonCrankshaftSurfaceStrengtheningMethods感应淬火InductionQuenchin

g圆角滚压FilletRolling气体渗氮GasNitriding34不考虑强化的曲轴强度计算CrankshaftStrengthCalculationwithoutconsideringSurfaceStrengthening5不考虑强化的曲轴强度计算CrankshaftSt

rengthCalculationwithoutconsideringSurfaceStrengthening表面强化工艺仿真研究StudiesonSurfaceStrengtheningSimulations➢从工艺参数设计出发，预测工件的弹塑性

力学性能、断裂韧性和疲劳寿命等宏观力学量，也就是说是实现强化工艺的预测设计。➢涉及材料学、工艺学、热力学、固体物理、电磁学、弹塑性力学、断裂力学、流体力学等。6圆角滚压数值分析NumericalAnalysisonFilletRolling78圆角滚压数值分析Nu

mericalAnalysisonFilletRolling圆角滚压数值分析NumericalAnalysisonFilletRolling9感应加热淬火仿真研究感应加热过程仿真强化效果分析与验证淬火冷却过程仿真工艺设计仿

真分析试验验证感应器结构电工学参数冷却液参数冷却时间强化要求工件热物性：电磁性能导/换热性能力学性能电磁场分析温度场分析相变分析应力/位移场分析表面硬度测量淬裂缺陷检测形位误差检测金相组织分析疲劳强度试验残余应力测量材料性能分析相变应力/塑性，与组织相关的力学性质应力/

应变诱导相变热应变/热机械性能热物性热驱动力相变潜热热物性与相体积相关的电磁性质塑性功生热感应涡流生热热流场分析温度场分析相变分析应力/位移场分析热应变/热机械性能热物性热驱动力相变潜热热物性塑性功生热沸腾/传导换热相变应力/塑性，与组织相关的力学性质应力/应变诱导相变10Sim

ulationofInductionHeatingQuenching感应加热淬火仿真研究SimulationofInductionHeatingQuenching11感应加热淬火数值分析NumericalAnalysisonInductionHeatingQuenching12感应加热淬火数值分

析NumericalAnalysisonInductionHeatingQuenching13感应加热淬火数值分析NumericalAnalysisonInductionHeatingQuenching14感应加热淬火数值分析Nu

mericalAnalysisonInductionHeatingQuenching1542CrMo临界冷却速度感应加热淬火数值分析NumericalAnalysisonInductionHeatingQuenching16典型位置各相淬火后硬度典型位置淬火后硬度感应淬火仿真研究Simulati

onofInductionHeatingQuenching➢材料的热物性不可靠；➢没有考虑加热和冷却速率（热流密度变化率）的影响；➢在线的测量和验证很困难，工艺的预测设计还没有实现。17感应加热淬火仿真研究SimulationofInductionHeatingQuen

chingqTtqttTttTc=−−+)(2022018感应加热淬火仿真研究SimulationofInductionHeatingQuenching➢含瞬变热源的强瞬态热传导方程的求解

；➢电磁感应淬火过程中“热波”的传播机制；➢非Fourier效应对电磁感应淬火中多场耦合动力学响应的影响。➢电磁感应淬火过程的瞬态热传导的非Fourier效应研究➢电磁感应淬火过程中材料相变的非Fourier效应研究➢电磁感应淬火过程应力和变形的非Fourier效应研

究➢电磁感应淬火过程仿真结果试验验证研究19=−−−xnmxmeebJebJq2211222222222)(21)(21-m-n0zyxJi0zyxJi-b含与不含空气区的电磁感应加热生热率解析解Ana

lyticalSolutionsoftheHeatGenerationRateoftheElectromagneticInductionHeating20感应加热淬火仿真研究SimulationofInductionHeatingQuenchi

ng•温度场控制方程基于CV模型格林函数212200220000(,)(,)000ttxxLTTTQxtQxtcttxtttTTTtTTtt====+=+−===

=()()()()()()()()()222211440022222212214412-e18ecossin1cos11e114sinsin2sin2,tlmmmmmmmmllmlmlmlmlaQcaeaQcQcQmacxxa

−=−−−+−−−−−+−+=()22200.5410C/s2mpJbck==63=7.84110kg/m−90.4710J/kg.Cpc=111=1.310m

−()xpQxkce−=1111()()0QxxxxQxxx−=()3413190J/m.577sQ=1111.710xm−=感应加热淬火瞬态传热非Fourier效应Non-fourierEffectsonTemperature

FieldofInductionHeatingQuenching脉冲宽度不同时热流量不变内热源形式脉冲宽度不同时不同位置处温度随时间的变化22随着脉冲宽度的增加,温度波的幅值减小,波动减弱。说明热流传播的波动性只在热作用时间短到与材料热弛豫时间相当或更短的尺度才对传

热过程起主导作用。0.1,0.5,1,5p=0.1,0.5,1,5p=感应加热淬火瞬态传热非Fourier效应Non-FourierEffectsonTemperatureFieldofInductionHeatingQuenchin

g气体渗碳仿真研究SimulationofGasCarburizingqTtTc=−202=−CDtC)(TD),,,(tzyxT碳的扩散过程CarbonDiffusionProcess(Fick第二定律)：(Fich’sSecondLaw)工件加热过程WorkpieceHe

atingProcess(瞬态热传导方程)：(TransientHeatConductionEquation)23总结与展望SummariesandProspects➢从Maxwell基本方程出发，推导了一维电磁感应加热过程生热率。➢

基于电磁感应加热淬火过程由电磁感应产生的指数型内热源，简化为线性内热源，得到其非傅里叶导热温度场。➢建立了电磁感应加热有限元模型，利用梅尼尔模型，预测了水淬后的淬硬层和硬度。水淬后的硬度满足设计要求，但是硬度高于设计值，需要采用比水冷却性能弱的淬火液。24➢对于考虑材料非线性下，其内热源形式，得

到相应的非Fourier效应的温度场。➢对于电磁感应加热淬火热传导的非Fourier效应，可以进一步研究球体下的温度场分布。➢研究不同非Fourier热传导数学模型对温度场结果的影响。➢研究电磁感应加热淬火过程中的非Fourier效应25总

结与展望SummariesandProspects气体渗碳仿真研究SimulationofGasCarburizing◆渗碳问题有限元计算收敛性分析由于渗碳层很薄，所以工件表层的网格一般需要加密处理,但是工件表层的网格需要加密到什么程度

才能满足精度要求？◆大型工件碳浓度场模拟简化计算现有文献都是针对非常简单的结构进行碳浓度场的模拟，如何比较简单的模拟大型工件的碳浓度场仍是一项尚待解决的问题。◆温度空间分布对碳浓度场的影响为了准确模拟碳浓

度场，也为了对渗碳炉内工件的布置进行指导，考虑温度场空间分布对碳浓度场的影响是十分必要的。26渗碳问题有限元计算收敛性分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModel1

.一维渗碳问题Laplace变换法-0.20.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.01.25000s4000s3000s2000s1000s理论计算的缺点：1.只能求解一维问

题2.对渗碳时间有限制理论求解：低碳钢初始碳浓度一般为0.2%左右，经过渗碳，工件表层碳含量发生变化，本文将工件表面至碳浓度变化量为0.01%（初始碳浓度的5%）处定义为渗碳影响区域，该区域深度定义为DH。t/s100015002000250030003500400045

005000DH/mm0.490.610.710.790.870.941.011.071.13不同时间对应的DH值DH值估算式27渗碳问题有限元计算收敛性分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburi

zingModel数值模拟：表征渗碳区域内节点碳浓度精确度网格尺寸/mm0.10.20.30.40.5ζ1000s0.0060.0090.0170.0280.0251500s0.0040.0070.0120.0210.02820

00s0.0030.0060.0100.0180.0262500s0.0030.0050.0080.0150.0193000s0.0020.0040.0070.0130.0173500s0.0020.0040

.0070.0120.0154000s0.0020.0030.0060.0110.0134500s0.0020.0030.0060.0100.0125000s0.0020.0030.0050.0090.011

一维渗碳不同渗碳时间及网格尺寸条件下的ζ值0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030100020003000400050000.1mm0.2mm0.3mm0.4mm0.5mmt/sζ0.0

000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.10.20.30.40.51000s1500s2000s2500s3000s3500s4000s4500s5000sζ网格大小/mm网格尺

寸对节点碳浓度的影响28渗碳问题有限元计算收敛性分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModelt/sDh(理论计算)/mmDh(模拟计算)/mm0.10.20.30.40.510000.300.300.350.380.390.

4715000.370.380.390.460.470.4820000.430.430.460.510.560.5125000.480.490.520.540.610.6130000.530.530.550.570.650.6835000

.570.580.590.600.690.7340000.610.610.630.650.710.7745000.650.660.670.700.740.8050000.690.690.710.740.760.83一维渗碳Dh的理论值与模拟计算结果0.

00.10.20.30.40.50.60.70.80.910002000300040005000理论值0.1mm0.2mm0.3mm0.4mm0.5mm网格尺寸对渗碳层深度的影响渗碳层深度Dh定义为碳浓度为0.3%处的深度虚线表示Dh值与理论值

相差0.1mm为得到较为精确的节点碳浓度值，网格尺寸只需小于Dh/329渗碳问题有限元计算收敛性分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModel数值模拟：以0.1mm网格计算结果为标准二维渗碳不同渗碳时间及网格尺寸条件下的ζ值网格尺寸

对节点碳浓度的影响2.二维尖角渗碳网格尺寸/mm0.20.30.40.50.6ζ'2h0.0020.0070.0110.0130.0113h0.0020.0050.0090.0130.0164h0.0010.0030.0070.0110.015

5h0.0010.0030.0050.0090.0136h0.0010.0020.0050.0070.0117h0.0010.0020.0040.0060.0098h0.0010.0020.0030.0050

.0080.0000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0140.0160.01823456780.2mm0.3mm0.4mm0.5mm0.6mmζ't/h0.0000.0020.0040.006

0.0080.0100.0120.0140.0160.0180.20.30.40.50.62h3h4h5h6h7h8hζ'网格尺寸/mm30渗碳问题有限元计算收敛性分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModel网格尺寸对渗碳

层深度的影响虚线表示Dh值与0.1mm网格计算值相差0.1mm网格尺寸/mm0.10.20.30.40.50.6Dh/mm2h1.681.691.751.801.821.873h2.052.072.102.142.212.254h2.362.382.40

2.452.432.585h2.642.652.692.692.772.806h2.892.902.912.973.022.967h3.123.143.163.183.203.278h3.343.353.373.383.413.50二维渗碳不同计算条件下的Dh值1.52.02.53

.03.523456780.1mm0.2mm0.3mm0.4mm0.5mm0.6mmDh/mmt/h为得到较为精确的节点碳浓度值，网格尺寸只需小于Dh/431数值模拟：仍以0.1mm网格计算结果为标准三维渗碳不同渗碳时间及网格尺寸条件下的ζ值网格尺寸对节点碳浓度的影响3.

三维尖角渗碳网格尺寸/mm0.20.30.40.50.6ζ'2h0.0030.0080.0140.0180.0163h0.0020.0050.0100.0160.0214h0.0020.0040.0080.0120.0185h0.0010.0030.0060.0100.0156h0.001

0.0030.0050.0090.0127h0.0010.0030.0050.0070.0118h0.0010.0020.0040.0070.0090.0000.0050.0100.0150.0200.02523456780.2mm0.

3mm0.4mm0.5mm0.6mmζ't/h0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.20.30.40.50.62h3h4h5h6h7h8hζ't/h32渗碳问题有限元计算收敛性分析Conv

ergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModel渗碳问题有限元计算收敛性分析ConvergenceAnalysisofFiniteElementCarburizingModel网格尺寸对渗碳层深度的影响虚线表示

Dh值与0.1mm网格计算值相差0.1mm三维渗碳不同计算条件下的Dh值网格尺寸/mm0.10.20.30.40.50.6Dh/mm2h1.941.982.012.042.182.123h2.372.382.442.512.512

.674h2.722.742.792.792.902.955h3.043.063.083.163.213.196h3.323.353.383.403.423.567h3.593.613.623.683.733.818h3.833.853.893.933.98

4.001.52.02.53.03.54.023456780.1mm0.2mm0.3mm0.4mm0.5mm0.6mmDh/mmt/h为得到较为精确的节点碳浓度值，网格尺寸只需小于Dh/533大型工件碳浓度场模拟简化计算Simplifie

dCalculationoftheLargeWorkPieceCarbonConcentrationField大型工件结构特征1结构特征2一维渗碳…对于大型工件渗碳模拟，在计算碳浓度场、金相组织场以及表面硬度时，可以将大型工件拆分成多个结构特征分别进行计算341.平面尖角渗碳ABFCED

0.00.20.40.60.81.01.2012345对角线一维C/%h/mm在远离尖角部位碳浓度分布呈现一维特性/°608090100120140Lc/mm4.242.922.452.111.661.30平面外尖角不同尖角角度对应的Lc值平面外尖角0.01.

02.03.04.05.06080100120140Lc/mm/°L定义为EF上某点到F点的距离35大型工件碳浓度场模拟简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConce

ntrationField0.00.20.40.60.81.01.201234对角线一维C/%h/mm/°608090100120140Lc/mm1.061.021.000.980.940.84平面内尖

角不同尖角角度对应的Lc值平面内尖角1.平面尖角渗碳ABFCED在远离尖角部位碳浓度分布呈现一维特性0.60.70.80.91.01.16080100120140L定义为CD上某点到点的距离36大型工件碳浓度场

模拟简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField平面外圆角2.平面圆角渗碳ABDECF2F1F0.00.20.40.60.81.01.20123对角线一维C/%h/

mm与平面外尖角相比，倒圆结构有利于碳浓度分布更加均匀L定义为EF1上某点到F点的距离37大型工件碳浓度场模拟简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonCon

centrationField/°r/mm1234604.244.395.737.24802.933.164.075.14902.462.753.504.351002.142.453.003.691201.701.872.2

42.631401.311.391.561.79平面外圆角2.平面圆角渗碳平面外圆角不同尖角角度及倒圆半径对应的Lc值0.02.04.06.08.01234608090100120140Lc/mmr/

mm0.02.04.06.08.06080100120140r=1r=2r=3r=4Lc/mm/°38大型工件碳浓度场模拟简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcen

trationField平面内圆角2.平面圆角渗碳与平面内尖角相比，倒圆结构有利于碳浓度分布更加均匀BACC1C2DEF0.00.20.40.60.81.01.20123对角线一维L定义为C1B上某点

到点的距离39大型工件碳浓度场模拟简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField平面内圆角2.平面圆角渗碳平面内

圆角不同尖角角度及倒圆半径对应的Lc值/°r/mm1234602.323.875.517.18801.812.783.874.98901.612.403.294.201001.442.122.793.541201.171.562.052.481400.951.

131.351.640.02.04.06.08.01234608090100120140Lc/mmr/mm0.02.04.06.08.06080100120140r=1r=2r=3r=4Lc/mm/°40大型工件碳浓度场模拟简化计算Sim

plifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField3.轴对称尖角渗碳ABFCED轴对称外凸尖角L定义为EF上某点到F点的距离0.00.20.40.60.81.01.201234对角

线一维C/%h/mm轴对称尖角结构截面图与平面尖角结构相同，对称轴位于EF线下方Rcm处41大型工件碳浓度场模拟简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField3.轴对称尖角渗碳轴对称外凸尖角

/°R/cm12345604.304.284.274.264.26802.942.932.932.932.93902.452.452.452.452.451002.112.112.112.112.111201.661.661.661.661.671401.291.291.291.291.2

9轴对称外凸尖角不同尖角角度及工件内径对应的Lc值0.01.02.03.04.05.012345608090100120140Lc/mmR/cm0.01.02.03.04.05.06080100120140R=1R=2R=3R=4R=5Lc/mm/°42大

型工件碳浓度场模拟简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField3.轴对称尖角渗碳轴对称内凹尖角L定义为CD上

某点到C点的距离0.00.20.40.60.81.01.20123对角线一维C/%h/mm/°R/cm12345601.071.071.061.061.06801.041.031.031.031.03901.021.011.011.011.011001.000.990.990.990.9

91200.950.940.940.940.941400.850.850.850.840.84轴对称内凹尖角不同尖角角度及工件内径对应的Lc值0.00.20.40.60.81.01.212345608090100120140Lc/mmR/cm0.00

.20.40.60.81.01.26080100120140R=1R=2R=3R=4R=5Lc/mmθ/°43大型工件碳浓度场模拟简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpi

eceCarbonConcentrationField3.轴对称圆角渗碳轴对称外凸圆角L定义为EF上某点到F点的距离轴对称外凸圆角结构截面图与平面外圆角结构相同，对称轴位于EF线下方Rcm处ABDECF2F1F0.00.20.40.60.81.01.201

23对角线一维C/%h/mm44大型工件碳浓度场模拟简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField3.轴对称圆角渗碳轴对称外凸圆角轴对称外凸圆角不同角度及

工件内径对应的Lc值/°r/mm1234604.264.405.677.23802.943.144.035.07902.462.753.474.301002.142.422.983.651201.701.872.192

.6411401.311.391.541.750123456781234608090100120Lc/mmr/mm0123456786080100120140r=1r=2r=3r=4Lc/mmθ/°45大型工件碳浓度场模

拟简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField3.轴对称圆角渗碳轴对称内凹圆角L定义为CD上某点到C点的距离轴对称内凹圆角结构截面图与平面内圆角结构相同，对称轴位于EF线下方Rcm处BACC1C

2DEF0.00.20.40.60.81.01.20123对角线一维46大型工件碳浓度场模拟简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonCon

centrationField3.轴对称圆角渗碳轴对称内凹圆角轴对称内凹圆角不同角度及工件内径对应的Lc值/°r/mm1234602.323.855.447.07801.792.773.824.91901.592.383.254.141001.432.062.763.50

1201.161.541.982.451400.941.111.351.600123456781234608090100120140Lc/mmr/mm0123456786080100120140r=1r=2r=3r=4Lc/mm/°47大型工

件碳浓度场模拟简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField4.三维尖角渗碳在远离尖角部位碳浓度分布呈现一维特性三维尖角不同渗碳时间对应的Lc值及DH值平面外尖角

bac×Lt/h2345678Lc/mm1.691.992.272.512.722.923.11DH/mm1.371.681.942.172.382.572.740.00.51.01.52.02.53.03.52345678LcDH0.00.51.01.5

2.02.53.03.51.41.61.82.02.22.42.62.83.0LcDHL/mmt0.5/h0.5L值定义示意图48大型工件碳浓度场模拟简化计算SimplifiedCalculationoftheLargeWorkpieceCarbonConcentrationField1

.均匀温度场温度值对碳浓度场的影响-0.03-0.02-0.010.000.010.020.03-10-8-6-4-202468101h2h3h4h5h6hΔC/%ΔT/℃yx问题对碳扩散的影响主要体现在扩散

系数上0.00.20.40.60.81.01.20123940℃930℃920℃910℃900℃C/%x/mm49温度空间分布对碳浓度场的影响EffectsofTemperatureDistributionsonCarbonConcentrationField温

度空间分布对碳浓度场的影响EffectsofTemperatureDistributionsonCarbonConcentrationField2.沿渗碳方向温度线性分布82084086088090092094

09600246810T/℃x/mm渗碳表面保持940℃，温度沿渗碳方向线性降低-0.025-0.020-0.015-0.010-0.0050.0000123456789106h5h4h3h2h1hΔC/%-dT/dx(℃/mm)温度分布-0.025-0.020-0.0

15-0.010-0.0050.00001231℃/mm2℃/mm3℃/mm4℃/mm5℃/mm6℃/mm7℃/mm8℃/mm9℃/mm10℃/mmΔC/%x/mm最大碳浓度差值分布图将不同温度分布条件下的碳浓度分布与940℃均匀温度场条件下的碳浓度分布进行比较503.沿渗碳方向温

度抛物线形分布6407408409401040114012400246810沿x方向温度分布呈x的一元二次函数形式：温度分布将不同温度分布条件下的碳浓度分布与940℃均匀温度场条件下的碳浓度分布进行比较-0.010-0.008-0.006-0.004-0.0020.0000.0020.0040.

0060.0080.0100123a=-2.5a=-2.0a=-1.5a=-1.0a=-0.5a=0a=0.5a=1.0a=1.5a=2.0a=2.5ΔC/%x/mm-0.010-0.008-0.006-0.004-0.0020.0000.0020.0040

.0060.0080.010-2.5-1.5-0.50.51.52.51h2h3h4h5h6hΔC/%a51温度空间分布对碳浓度场的影响EffectsofTemperatureDistributionsonCarbonConcentrationFi

eld4.垂直于渗碳方向温度线性分布88090092094096098010000246810T/℃y/mm0.00000.00010.00020.00030.00040.00050.00062468101h2h3h4h5h6hΔC/%dT/dy(

℃/mm)5.垂直于渗碳方向温度抛物线形分布860880900920940960980100010200246810T/℃y/mm-0.004-0.003-0.002-0.0010.0000.0010.0020.0030.004-2.5-1.5-0.50.51.52.51h2h3h4h5h6hΔC

/%a52温度空间分布对碳浓度场的影响EffectsofTemperatureDistributionsonCarbonConcentrationField总结与展望SummariesandProspects➢

针对气体渗碳数值模拟过程进行收敛性分析，得到了有限元模型网格尺寸确定方法。➢计算了某些典型结构特征对碳浓度场影响区域的大小，给出了尖角结构渗碳建模时模型大小的估算方法，并且分析了倒圆对尖角部位碳浓度场的影响规律。➢利用Matlab脚本编写程序，开发出了考虑温度分布情况下扩散方程的求解

算法，在此基础上讨论了渗碳层温度高低及温度分布对碳浓度场的影响，结果表明渗碳层温度值对碳浓度分布影响较为明显，而温度梯度影响较小。53➢碳浓度对扩散系数的影响。碳浓度对扩散系数的影响已经有人做过研究，但是本文在模拟计算过程中并未考虑这一因素的影响。针对本文所讨论的

问题，碳浓度对扩散系数的影响最终会对计算结果产生怎样的影响还有待进一步研究。➢只讨论了结构特征对碳浓度场的影响，想要真正简化大型工件渗碳表面化学热处理过程的模拟计算，还必须研究结构特征对淬硬层厚度的影响。➢气体碳势的影响。工件表面温度发生变化必然会导致该处气体碳势发生变化，考虑气体碳势变化对碳浓

度场的影响将有助于更加准确的讨论温度空间分布对碳浓度场的影响。54总结与展望SummariesandProspects55相关的论文RelatedPapersandDissertationsfromBIT➢圆角滚压：鲍珂,廖日东,左正兴.考虑滚压强化作

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