火车车轮淬火过程数值模拟

Time(s)
Time(s)
Tim e(s)
（ａ） ５ ｍｍ （ｂ） １０ ｍｍ （ｃ） ３０ ｍｍ
900 900 850 850
800
simulation experiment
800 750
其计算公式如下
式中 ∆H 为各组织的热焓 ∆V 为时间 ∆t 内 的相变增加量． １．３ ＴＴＴ 曲线数值化 在淬火过程的计算机模拟中 现广泛采用以
∆V Q L = ∆H ⋅ ∆t
的组织 而表层要求冷速较快 得到较硬 耐磨的 组织． 通过模拟计算的温度变化情况和实际 黑匣 子 测试试验得到的温度变化情况对比 模拟计算 的结果在趋势上与实测结果一致． 在数值上 模拟 结果与实测结果吻合较好．
Vi +1 = 1 − exp[−bi +1 (t i +1 + ∆t ) ni +1 ]
∗
∗
１．２ 潜热处理 热处理过程中必然会发生组织的转变 当发生 组织转变时会吸收或释放潜热． 固态组织转变的潜 热 虽然没有熔化或凝固时的潜热大 但亦是一个 不可忽略的因素． 相变时 由于各相的热焓值不同 不同类型的组织转变会释放出不同的相变潜热 潜 热的释放与相变量成正比
V = 1 − exp(−bt n )
cooling curve
火车车轮淬火过程数值模拟 ３８９
对于奥氏体等温分解的转变量 常用 Ａｖｒａｍｉ
２ 有限元计算结果及分析
２．１ 温度场模拟及分析 淬火开始时 车轮内部温差较小 温度最高处
∆t i −1
０ 引 言
随着火车向高速重载方向发展 对火车车轮的 质量提出越来越高的要求 既要保证内在质量又要 保证型式尺寸和外观精度． 车轮踏面喷水淬火 见 图 １ 作为车轮生产工艺过程中的一个重要工序 对车轮最终组织及产品尺寸都将产生很大影响．
１ 模型建立
１．１ 相变计算 根据等温转变过程的孕育率推算连续冷却时 以该温度下的孕育期 τ i 达到 １ 时 的转变开始温度 将每一温度下所消耗的时间 t i 除 用此值作为孕育率． 对不 当总孕育率
面表层和轮缘处还有少量的贝式体 马氏体几乎没 有 只有在轮缘处才析出少量马氏体．
图 ６ 热处理后组织分布 体积转变百分数
（ａ） 铁素体 （ｂ） 珠光体 （ｃ） 贝氏体 （ｄ） 马氏体
３ 结 论
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ Ｒａｉｌｗａｙ Ｗｈｅｅｌ Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ
ＡＮ Ｔａｏ１， ＦＵ Ｂｉｎ２， ＳＨＥＮ Ｘｉａｏｈｕｉ２， ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｇ２， ＹＡＮ Ｊｕｎ２
（１． Ｍａ ａｎｓｈａｎ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｍａ ａｎｓｈａｎ Ａｎｈｕｉ ２４３０１０， Ｃｈｉｎａ； ａｎｓｈａｎ Ａｎｈｕｉ ２４３００２， Ｃｈｉｎａ） ２． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉ． ＆ Ｅｎｇ．， Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖ． ｏｆ Ｔｅｃｈ．， Ｍａ
（ｄ） ６５ｍｍ （ｅ） 辐板 （ｆ） 轮毂
图 ５ 测量点温度的计算值和试验值比较
２．２ 组织场模拟及分析 图 ６ 为热处理后车轮组织分布图． 从图中可以 看出 车轮最终组织以铁素体和珠光体为主 在踏
650
0
200
400
600
800
1000 1200 1400 1600
1800 2000
0
200
400
600
800
1000 1200 1400 1600
1800 2000
600 -200
0
200
400
600
800
1000 1200 1400 1600
1800 2000
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文章编号 １００６－０８７１（２００６）Ｓ１－０３８８－０３
火车车轮淬火过程数值模拟
安 涛 １ 付 斌 ２ 沈晓辉 ２ 章 静 ２ 阎 军 ２
１． 马鞍山钢铁股份有限公司 ２． 安徽工业大学 材料工程学院 安徽 马鞍山 ２４３０１０ 安徽 马鞍山 ２４３００２
摘 要 为分析车轮淬火过程中的车轮各场量变化情况 利用 ＭＳＣ Ｍａｒｃ 商用有限元软件结合 用户子程序开发对车轮淬火过程进行模拟计算． 通过模拟值和实测值的对比 测结果吻合较好． 关键词 淬火 车轮 ＴＧ １５６．３ 数值模拟 有限元 ＭＳＣ Ｍａｒｃ Ａ 中图分类号 Ｕ２６０．３３１．１ 文献标志码 模拟结果与实
１ 模拟计算能较准确地模拟车轮淬火过程中 的温度变化趋势 且与 黑匣子 试验实测温度接 近． 模拟计算值和实测值吻合得很好． ２ 运用曲线拟合方法对 ＴＴＴ 曲线进行数值 化 便于计算机存储和调用 为相变计算提供保证． ３ 踏面表层 轮缘部位冷却速度较快 利于 参考文献
［１］ 刘庄． 热处理过程的数值模拟［Ｍ］． 北京 科学出版社 ［２］ 李勇军 潘健生 ［３］ 潘健生 胡明娟 １９９６．
ＴＴＴ 曲线进行模拟的方法． 要实现对组织场模拟 ＴＴＴ 曲线必不可少． 为便于计算机存储和调用 需 将 ＴＴＴ 曲线数值化． 图 ３ 为多项式拟合后的 ＴＴＴ 曲线．
700 650 600
［３］
Temperature( C)
o
550 500 450 400 350 300 1 10 100 1000
［１］
图 １ 车轮淬火方式示意图
淬火过程是一个温度 组织 应力场互相耦合 的高度非线性问题 目前对车轮淬火过程中各场变 量变化的规律还缺乏理论解析 在实际生产过程中
同温度下的孕育率可以叠加 见图 ２ 即孕育结束
n
转变开始． ∆t i =1 ∑ i =1 τ Ti
万方数据
增刊 安 涛 等 方程进行计算
∆t i
τ Ti
∆ti +1
time
τ Ti +1
图 ２ 连续冷却过程示意图
在转变过程中 转变量也可以进行叠加 引入 虚拟时间 t i +1 ．
t i +1
∗
∗
− ln(1 − Vi ) ni +1 = bi +1
1
然后计算 Ti +1 温度下保持 t i+1 + ∆t 时刻的转变 量
９ １
． ．
编辑 吴彦生
万方数据
火车车轮淬火过程数值模拟
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 安涛， 付斌， 沈晓辉， 章静， 阎军， AN Tao， FU Bin， SHEN Xiaohui， ZHANG Jing， YAN Jun 安涛,AN Tao(马鞍山钢铁股份有限公司,安徽,马鞍山,243010)， 付斌,沈晓辉,章静,阎军,FU Bin,SHEN Xiaohui,ZHANG Jing,YAN Jun(安徽工业大学,材料工程学院,安徽,马鞍山,243002) 计算机辅助工程 COMPUTER AIDED ENGINEERING 2006,15(z1) 2次
simulation experiment
800 700 600 500
simulation experiment
800
simulation experiment
Temperature(C)
600 500 400 300
Temperature( C)
700
o
o
600
400 300
500
400
200 200 100 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 300 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
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图 ３ 拟合的 ＴＴＴ 曲线
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３９０ 计 算 机 辅 助 工 程 ２００６ 年
900 900 800 700
o Temperature( C)
900
第 １５ 卷 增刊 计 算 机 辅 助 工 程 Ｖｏｌ． １５ Ｓｕｐｐ１． ２００６ 年 ９ 月 ＣＯＭＰＵＴＥＲ ＡＩＤＥＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｓｅｐ． ２００６
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｈｅｅｌ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＭＳＣ Ｍａｒｃ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ ｕｓｅｒ ｓｕｂｒｏｕｔｉｎｅ． Ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｃｃｏｒｄｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｑｕｉｔｅ ｗｅｌｌ ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ； ｗｈｅｅｌ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ； ＭＳＣ Ｍａｒｃ 也都是凭经验进行判断． 随着计算机技术和有限元 技术的发展 本文利用 ＭＳＣ Ｍａｒｃ 商用非线性有限元 软件结合用户子程序开发对车轮淬火过程进行模拟 分析 得到车轮淬火过程中的各场量的分布及变化 规律 为实际生产过程提供参考和依据．
形成马氏体 贝式体组织 而其他部位冷却速 度相对较慢 易于形成铁素体和珠光体组织． 从金 相分析来看 由于车轮为大型工件 采用喷水淬火 冷却仍无法使踏面获得马氏体组织． ４ 模型能够对车轮淬火过程进行较准确的 模拟 对车轮淬火工艺的制订和车轮生产工艺的制 定都具有重要的价值和指导意义．