利用ABAQUS有限元对凹模进行热处理分析

2014-11-25安徽方圆机电股份有限公司蚌埠233010

金属加工(热加工) 2014年2期

安徽方圆机电股份有限公司(蚌埠 233010)周良

一、ABAQUS简介及热分析

ABAQUS 是国际著名的CAE 软件，它以其强大的非线性分析功能以及解决复杂和深入的科学问题的能力赢得广泛称誉，拥有大量不同种类的单元模型、材料模型和分析过程等。ABAQUS在处理热分析问题方面具有强大的功能，它不但具有快速的网格划分能力和强大的结果后处理功能，而且还具有非常友好的人机交互界面。有限元方法将问题在空间中离散化，对于瞬态传热问题，控制方程也必须通过时间积分进行求解，在ABAQUS 中对瞬态固体传热进行时间积分的操作是利用后向差分算法。

模具加热过程属于瞬态传热问题，即模具的温度场随着时间的变化而变化。瞬态传热是扩散主导的过程在对一些对外界条件改变的响应中，开始时温度随时间的变化很快，然而到后期，可以看到温度的缓慢变化。

二、校正凹模加热过程温度场模拟

使用ABAQUS模拟校正凹模淬火的全过程，通过分析凹模与淬火液、凹模与冷却液之间的传热过程来确定凹模的温度场，从而得到工件在热处理后产生的残余应力及应力场分布情况。首先创建部件，导入CAD平面图，启动ABAQUS/CAE，选择Create Model Database。导入平面图后再创建试样，进入Part功能模块，对导入的部件创建试样，随后定义材料特性，划分网格。对模具的加热过程进行瞬态模拟，获得模具在加热到一定时间后的模具温度场分布及模具达到理论控制温度时的温度场分布。由于模具壁厚差较大，且模具淬火冷却过程中不同方向的散热速度有较大差异，因此，在这里设定模具在水冷却时的内外最大温差为180～200℃，以此来探讨模具加热过程温度场的模拟。

1.校正凹模加热过程中的热传递方式

模具在加热过程有三种热传递方式：热传导、热对流和热辐射。热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循傅里叶定律。

热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述。

热辐射指物体由于具有温度而辐射电磁波，并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无需任何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最高。本文在用ABAQUS模拟模具加热过程时，只考虑热传导和热对流两种热传递方式。

2.ABAQUS前处理

温度对校正凹模淬火过程的影响是显著的，校正凹模的温度场均匀程度是影响模具淬火质量的关键因素。在模具热处理工艺中，加热的热源分布在凹模的内、外部。热处理过程中仍采用硝盐炉加热方式，使用三维建模软件Solidworks建立凹模的三维实体模型（见图1），并输出到IGES格式。

3.实体模型创建及载荷加载

为了方便查看各单元剖分情况，判断合理性，还要绘制网格剖分图，节点数越多，则解的精度越高，但同时所费的计算时间也越长，计算机的数据存储量也越大。另一方面，在同样节点数的条件下，网格单元在区域中的疏密配置的合理性对计算精度的影响也是相当大的。所以，这就要求事先对所要分析的场域中场的分布有一个初步了解，以便在网格剖分时能做到比较合理的剖分，达到较高的计算精度。

在ABAQUS中导入IGES格式的凹模三维模型；选择分析所需的单元类型Solid186；定义凹模的材料属性，对于本分析来说，弹性模量和线膨胀系数是必须定义的，分别为：E=2×1011Pa，a=10×10-6/℃。另外，泊松比设定为0.3。

4.划分网格

由于本校正凹模的结构相对较简单，网格划分后如下，在ABAQUS软件中建模不方便，先利用Solidworks参数化设计软件的模具模块进行建模，然后利用ABAQUS/Multiphysics 中的ABAQUS Connection For Pro/E模块实现与Solidworks的挂接，这样当在Solidworks中建好模型后就可以通过菜单里的“ABAQUS GEOM”直接启动ABAQUS，并打开已建好的模型，避免了通过IGS格式导入ABAQUS后出现的“破面”、“曲面变形”等，导入模型后设定模具的材料属性，同时对其进行网格划分和加载。图2是在ABAQUS中进行网格划分后的校正凹模。

考虑到模型对称性和计算效率，使用二分之一模型进行分析，网格尺寸3mm，采用六面体和五面体网格的组合。网格模型见图2。

初始温度场800℃，冷却后零件表面温度60℃，环境温度20℃。