轨道行走轮淬火工艺改进及有限元数值模拟

摘要

轨道行走轮作为轨道车辆的重要零件，在机械、航空、船舶、铁路等领域得到广泛应用。因为轨道行走轮的工作环境普遍比较恶劣，容易损坏，并且维修困难，维修费用高，因此对其质量要求较高，对轨道行走轮的加工过程尤其是热处理过程的研究非常重要。以前对轨道行走轮的热处理过程的研究是通过大量的实验和生产中的经验进行的，这样耗时耗力，没有理论基础。随着计算机技术的快速发展，计算机数值模拟的方法广泛应用到机械工程、土木工程、材料、流体、热传导、电磁学等领域，该方法使用方便、经济，在进行多方面的考虑并结合实验后可以得到精确的结果，对实际生产起到指导作用。
　　本文基于传热学、流体力学、相变学的基本理论，制定了42CrMo轨道行走轮的淬火工艺，并利用有限元法对淬火过程进行了计算机数值模拟。所做的研究工作如下:
　　(1)分析了轨道行走轮现有淬火工艺的优缺点，结合理论知识制定了合理的淬火工艺。
　　(2)考虑到淬火液对轨道行走轮冷却过程的温度场产生影响，研究了淬火液的流场和温度场，研究结果表明由于淬火液受热上升，因此上部液体温度高于下部液体温度，并求解出温度表达式，为后续的研究做准备。
　　(3)利用淬火液的研究结果，对轨道行走轮淬火过程中的温度场和应力场进行了数值模拟，得到温度云图、温度-时间曲线以及残余应力的分布情况。
　　(4)拟合了轨道行走轮温度-时间曲线，求解了冷却速度，结合淬火组织临界冷速的P.Maynier模型，计算了轨道行走轮淬火后的组织场和硬度分布。
　　(5)最后设计了生产设备-轨道行走轮淬火专用设备，现已投入生产。从产品中抽取试样，测量其硬度值并观察显微组织，将测量结果与数值模拟的结果对比。结果表明硬度误差值在±1.5HRC之内，符合国标GB/T230.2的要求，证明本文采用的数值模拟研究方法是正确的，可以在生产中进行推广。从轨道行走轮的性能来看，本文制定的淬火工艺有明显的优越性。
　　为了保证计算精度，本文在轨道行走轮的淬火研究过程中，考虑了对流换热系数等物性参数随温度的非线性变化，相变潜热的影响，淬火液的流动和温度变化等。本文将有限元数值模拟方法应用到轨道行走轮淬火研究上，能够节约实验时间和成本，经实验验证后，证明该方法精确有效，能够对实际生产起到指导作用。有限元数值模拟方法不仅为轨道行走轮淬火过程的研究提供理论支持，还对轨道行走轮淬火工艺的制定和优化起到指导作用，将这种方法推广到更多类似零件的热处理过程中同样有效。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究意义及目的

1．1．1 轨道走轮应用领域及质量要求

1．1．2 传统研究方法和数值模拟方法比较

1．1．3 本文的研究目的

1．2 研究现状

1．2．1 轨道行走轮现有淬火工艺

1．2．2 数值模拟国内外现状

1．3 研究内容及安排

1．3．1 本文的研究内容

1．3．2 本文的内容安排

第二章 淬火液流场和温度场的数值模拟

2．1 流体流动和换热问题的控制方程

2．1．1 质量守恒规律

2．1．2 动量守恒定律

2．1．3 能量守恒定律

2．2 湍流流动的数学模型

2．2．1 湍流流动的基本方程

2．2．2 湍流模型

2．3 有限元方法介绍

2．3．1 FLUENT软件介绍

2．3．2 ABAQUS软件介绍

2．4 轨道行走轮几何形状

2．5 加载过程及结果分析

2．5．1 淬火液流场和温度场计算加载过程

2．5．2 淬火液流场模拟结果分析

2．5．3 淬火液温度场计算结果分析

2．6 本章小结

第三章 淬火工艺制定及温度场和应力场的数值模拟

3．1 轨道行走轮淬火工艺制定

3．1．1 原淬火工艺分析

3．1．2 新淬火工艺制定

3．2 温度场模拟方程

3．2．1 热传导基本方程

3．2．2 相变潜热的处理

3．2．3 集肤效应

3．3 应力场模拟方程

3．3．1 热弹性有限元模型

3．3．2 热弹塑性应力应变关系

3．3．3 总应变的处理

3．4 物性参数的选择和计算

3．4．1 材料物性参数的选择

3．4．2 轨道行走轮与淬火液换热系数的计算

3．5 模拟过程及结果分析

3．5．1 轨道行走轮网格划分

3．5．2 加载与求解设定

3．5．3 温度场计算结果分析

3．5．4 应力场计算结果分析

3．5．5 淬火冷却介质对残余应力的影响

3．6 本章小结

第四章 组织场和硬度场计算

4．1 组织场和硬度场计算方程

4．1．1 组织场计算方程

4．1．2 硬度场计算方程

4．2 Microsoft Excel数值方法概述

4．3 组织场和硬度场计算结果

4．4 本章小结

第五章 数值模拟结果的生产验证

5．1 淬火设备设计

5．2 试样测定结果分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文