三维非线性有限元在热处理炉CAD中的应用研究

摘要

现有的热处理炉CAD系统虽然极大提高了绘图的效率,但普遍存在着温度场计算薄弱的缺点,因此并未能明显提高炉子结构设计的科学性.正确求解热处理炉内温度分布应是热处理炉CAD系统折核心部分.为此该文将前人的研究成果和模型进行了综合和加工,建立了热处理炉通用三维瞬态非线性温度场模型.该模型全面考虑了辐射、热特性参数和换系数非红性变化对温度场的影响,并使用伽辽金加权余量法推导了其有限元分析格式.为适应形状复杂、存在多种异种材料边界的高度非线性温度场求解问题,该文在有限元分析时采取了一些特殊处理方法.(1)网格划分.采用六面体单元划分网格既能节约计算资源,满足计算精度,并且适合于材料物笥参数相差很大而导致的异质单元计算;(2)时间步长控制.采用向后差分的时间积分法,对于线性问题是无条件稳定的,而对于强非线性问题为了避免结果发散,采用自适应步长控制功能;(3)迭代方法.经过大量的试算和分析,采用修正的全牛顿拉夫森迭代法在收敛速度与计算精度上同时取得可以接受的效果.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1 热处理智能化CAD和计算机模拟技术

1.1.1热处理CAD的特点及国内外现状

1.1.2热处理计算机模拟简介

1.2 非线性有限元法简介

1.2.1有限元法简介

1.2.2有限元法与有限差分法和边界元法的比较

1.2.3非线性问题解法

1.3 热处理炉CAD

1.3.1热处理炉的结构特点

1.3.2热处理炉温度场模拟参数简介

1.3.3热处理炉三维瞬态非线性温度场的数值模拟

1.4 本课题研究的主要内容

第二章热处理炉传热分析及其温度场的有限元实现

2.1热处理炉内热量传递的三种方式及其数学描述

2.2三维瞬态温度场的有限元格式

2.2.1伽辽金加权余量法建立有限元方程

2.2.2瞬态非线性温度场的时间积分

2.3有限元分析中几个特殊问题的处理

2.3.1网格的划分

2.3.2时间步长选择

2.3.3非线性迭代方法的选择

2.3本章小结

第三章72 KW井式气体氮化炉的温度场模拟

3.1研究对象及实验方法

3.1.1研究对象简介

3.1.2实验方法

3.2数值模拟与分析

3.2.1研究问题的简化

3.2.2数值模拟结果与分析

3.2.3分析讨论

3.3本章小结

第四章 热处理炉的优化设计

4.1引言

4.2炉顶的优化设计

4.2.1炉顶设计的一般原则

4.2.2炉项优化设计实例

4.3炉壁的优化设计

4.3.1炉壁设计一般原则

4.3.2炉壁优化设计实例

4.4炉底的优化设计

4.4.1炉底设计的一般原则

4.4.2炉底优化设计实例

4.5热处理炉整体优化设计

4.5.1总体散热分析

4.5.2功率优化分配

4.6本章小结

第五章结论

参考文献

致谢

作者攻读硕士期间发表的论文