数值模拟与热处理技术进步.docxVIP

·述评·数值模拟与热处理技术进步谢建华,魏兴钊,黄(华南理工大学机械工程学院,广东鹏广州510640)摘要:热处理过程是外部环境与金属温度场、组织场和应力场等相互作用的复杂过程,数值模拟作为传统实验研究之外的另一个重要研究手段,在热处理过程的研究中正被广泛应用,本文简要介绍热处理过程计算机模拟的研究成果和目前存在的一些问题并展望了未来发展的趋势。关键词:数值模拟;金属热处理文章编号:1673-4971(2006)05-0009-06中图文分类号:TG156;TP34文献标识码:ANumericalSimulationandProgressofHeatTreatmentTechnologyXIEJian2hua,WEIXing2zhao,HUANGPeng(CollegeofMechanicalEngineering,SouthChinauniversityofTechnology,GuangzhouGuangdong510640,China)Abstract:Theheattreatmentprocessisacomplexinteractiveprocessofexternalconditionandmetalstem2peraturefield,structurefieldahdstressfield.Asaimportantresearchmethodbesidestraditionalonebyex2periment,numericalsimulationhasbeenappliedtoheattreatmentresearchingwidely.Thispaperintroducestheresearchresults,theproblemsexistedatpresentandlooksforwardtothedevelopmenttrendsonnumeri2calsimulationoftheheattreatment.Keywords:unmericalsimulation;heattreatment1热处理数值模拟现状材料的热处理与铸造、锻压、机械加工、焊接等生产技术工艺一起形成机械制造生产链,它既是赋予所制成零部件获得最终性能的基本方法,也是制造生产工具(如制造业中必不可少的刀具和模具等)的强化手段。因而,热处理工艺技术是先进制造业生产链上绝对不可或缺的极其重要的一环。运用信息技术对热处理生产的技术改造,涉及材料学、传热学、化学、弹塑性力学和流体力学、数学和计算机科学等多学科,必须建立反映热处理过程中的温度场、浓度场、相变和应力应变的数学模型,实现生产过程中所发生的各种复杂的物理和化学现象的计算机模拟,在正确预测处理的结果以及各种因素之相互作用的基础上制订优化的热处理工艺,实现工艺过程的智能控制,使热处理技术由依赖于经验的传统技术,提升为数字化的知识密集型智能技术,确保工艺重现性,达到精密生产、清洁生产且节能。但由于科技水平的限制,目前热处理生产多采用传统的过程观察、性能测定和经验积累等方法。这种以定性为主的方法不能把热处理与它所涉及的各门学科用数学手段贯通在一起,真正做到科学、定量地研究和应用热处理技术,与经济和生产发展的要求不适应。同时,由于热处理过程中一系列复杂的现象难以直接观察和直接测量,以致常常出现零收稿日期:2006-03-26作者简介:谢建华(1979-),男,硕士研究生,从事热处理技术数值模拟研究工作。·10·热处理技术与装备第27卷件的使用可靠性得不到保证,或者因为没有充分发挥材料的潜力而增大零件的数量或体积等不良后果,这可能成为制约整个制造业发展水平的瓶颈。因而,尽管人们在开发热处理技术上作了大量工作,以适应对机械零件不同的性能要求,但直到计算机技术介入热处理技术领域之后,热处理工艺生产才真正有可能在全局上趋向于精密、节能和清洁生产。计算机作为信息时代的核心技术,给传统工业生产带来巨大推动。数值模拟以物理模拟为基础,建立数学模型,通过计算机求解个场量。计算机求解多用离散化的方法求近似解。由于计算机容量大,计算速度快,有可能得到足够精确的近似解。二十世纪七十年代以来,计算机技术已被广泛应用于热处理温度控制、工件和设备的传热计算、定量金相、组织性能预测、冷却介质研究、化学热处理工艺控制、专家系统和数据库等诸多方面[1～3]。早期计算机模拟都比较简单,有些仅基于一些公式,如TTT曲线或CCT曲线的模拟计算[4],端淬试验的组织和硬度计算等[5]。有些基于物理模型,采用有限差分法进行渗碳和渗氮模拟,以及加热和冷却的温度和组织模拟。随着计算能力的提高和数学物理模型的逐步完善,较为复杂的组织、应力和应变、炉气流场等的模拟取得了长足发展。已有学者通过建立三维有限元模型模拟形态复杂的零件(如带孔的凸缘