本發(fā)明涉及一種復(fù)雜構(gòu)件熱處理工藝優(yōu)化方法，具體涉及一種基于CFD軟件對(duì)復(fù)雜構(gòu)件氣淬系統(tǒng)的優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

淬火是金屬加工的一道重要工序，通過調(diào)整和控制冷卻介質(zhì)參數(shù)以控制工件的溫度場、組織場和應(yīng)力場以及應(yīng)變場，使得工件達(dá)到相應(yīng)的組織要求和性能，并盡可能減小不均勻場導(dǎo)致的殘余應(yīng)力及殘余應(yīng)變，以提高金屬工件質(zhì)量。在淬火過程中，由于冷卻不均勻?qū)е陆饘俟ぜ囟确植疾痪鶆?，從而組織轉(zhuǎn)變不均勻，產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，影響工件的機(jī)械性能，使得壽命下降，甚至造成工件產(chǎn)生裂紋或開裂而報(bào)廢，直接影響工件質(zhì)量。對(duì)于淬火的復(fù)雜構(gòu)件，因其幾何結(jié)構(gòu)不均勻，工件截面厚度差異大，冷卻速率不均勻?qū)е碌臏囟葓霾痪鶆騿栴}更加突出。生產(chǎn)實(shí)踐中，淬火過程是熱處理中返修率和廢品率最高、最難控制的環(huán)節(jié)，引起的經(jīng)濟(jì)損失不可小覷。因此，如何減少淬火過程中不均勻各場產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是相關(guān)工作者最為關(guān)心的問題，而如何調(diào)整和控制工件的冷卻速率，以改善溫度場均勻性則是這一問題的最基礎(chǔ)一步。

淬火過程中，工件與冷卻介質(zhì)間換熱情況復(fù)雜，受工件形狀、表面溫度、所處流場及冷卻介質(zhì)的溫度、流速等多種因素影響，難以定量分析。目前，冷卻介質(zhì)與工件之間的冷卻速率多為定性分析或?qū)嶒?yàn)測量，不能滿足精確、高效的控制要求。

淬火過程是一個(gè)多場耦合的復(fù)雜過程，理論求解非常困難，對(duì)復(fù)雜構(gòu)件更不可能直接求解；相關(guān)實(shí)驗(yàn)涉及高溫作業(yè)和在線測量，參數(shù)測量也相當(dāng)困難；為了解不同冷卻方案的效果時(shí)，需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，成本浪費(fèi)太大；同時(shí)，由于構(gòu)件冷卻過程中的綜合傳熱系數(shù)受構(gòu)件的表面特性、溫度以及冷卻介質(zhì)的流速分布等參數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的普適性較差?；谏鲜鲈颍壳暗拇慊疬^程控制多為定性分析、經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)，理論薄弱，技術(shù)落后。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，用數(shù)值模擬代替實(shí)驗(yàn)成為熱點(diǎn)。對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件的氣淬過程，將氣體流動(dòng)、傳熱過程與固體構(gòu)件的傳熱過程相耦合，將CFD技術(shù)與最優(yōu)化方法相融合，對(duì)氣淬裝置結(jié)構(gòu)及其操作進(jìn)行優(yōu)化，可有效提高復(fù)雜構(gòu)件氣淬過程中冷卻速率均勻性，減小構(gòu)件中的殘余應(yīng)力，從而提高復(fù)雜構(gòu)件的質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于CFD軟件對(duì)復(fù)雜構(gòu)件氣淬系統(tǒng)的優(yōu)化方法，利用CFD軟件模擬得出復(fù)雜構(gòu)件在各種工況下氣體淬火的溫度場，將各工況對(duì)應(yīng)的溫度場數(shù)據(jù)整理并建立數(shù)據(jù)庫，以構(gòu)件內(nèi)部溫度差最小為目標(biāo)，通過數(shù)據(jù)庫自動(dòng)尋優(yōu)，選擇最優(yōu)工藝參數(shù)組合，以保證構(gòu)件內(nèi)部溫度均勻性。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：

一種基于CFD軟件對(duì)復(fù)雜構(gòu)件氣淬系統(tǒng)的優(yōu)化方法，包括如下步驟：

1)建立幾何模型：根據(jù)氣淬系統(tǒng)基本尺寸參數(shù)，建立氣淬系統(tǒng)幾何模型，包括定義復(fù)雜構(gòu)件區(qū)域?yàn)楣腆w計(jì)算域及流體區(qū)域?yàn)榱黧w計(jì)算域；

2)劃分網(wǎng)格：分別將固體計(jì)算域和流體計(jì)算域的幾何模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

3)將步驟2)中得到的網(wǎng)格劃分后的幾何模型導(dǎo)入CFD軟件中，定義基本求解器、啟動(dòng)能量方程、指定湍流模型、定義材料的物性參數(shù)、邊界條件參數(shù)及初始化后，開始數(shù)值模擬計(jì)算；

4)判斷是否收斂，如果殘差小于設(shè)定值，則收斂并進(jìn)行下一步驟；如果不收斂，對(duì)步驟2)中固體計(jì)算域和流體計(jì)算域的幾何模型重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，優(yōu)化網(wǎng)格后，重復(fù)步驟1)～3)直至收斂為止；

5)重復(fù)步驟1)～4)，進(jìn)行多次數(shù)值模擬；每一次數(shù)值模擬過程中改變步驟1)中基本尺寸參數(shù)和步驟3)中邊界條件參數(shù)；

6)將所述多次數(shù)值模擬所對(duì)應(yīng)的溫度場數(shù)據(jù)整理并建立數(shù)據(jù)庫，以構(gòu)件內(nèi)部溫度差最小為目標(biāo)，通過數(shù)據(jù)庫自動(dòng)尋優(yōu)，選擇最優(yōu)工藝參數(shù)組合，以保證構(gòu)件內(nèi)部溫度均勻性。

所述步驟1)中基本尺寸參數(shù)包括構(gòu)件的幾何尺寸、噴嘴的位置、大小及數(shù)量。

所述步驟2)中網(wǎng)格劃分優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

所述步驟3)中基本求解器選用壓力基求解器及非穩(wěn)態(tài)。

所述步驟3)中湍流模型根據(jù)雷諾數(shù)選擇K-e模型。

所述步驟3)中材料的物理性質(zhì)為構(gòu)件的材質(zhì)、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容及冷卻介質(zhì)的材質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容、黏度。

所述步驟5)中改變的基本尺寸參數(shù)包括噴嘴的位置、大小及數(shù)量，改變的邊界條件參數(shù)包括冷卻介質(zhì)速度、溫度。

所述步驟3)中邊界條件參數(shù)包括：

速度入口的冷卻介質(zhì)速度、溫度、湍流強(qiáng)度、水力直徑；

壓力出口的壓力、湍流強(qiáng)度、水力直徑；

構(gòu)件壁面耦合熱邊界及噴嘴壁面熱邊界；

其中，速度入口為冷卻介質(zhì)出口，壓力出口為流體計(jì)算域的外部空間邊界。

步驟4)中殘差小于10^-6時(shí)收斂。

技術(shù)效果：本發(fā)明將CFD技術(shù)與最優(yōu)化方法相融合，通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)各種氣淬工況下構(gòu)件內(nèi)部的溫度場進(jìn)行預(yù)測，以構(gòu)件內(nèi)部溫度差最小為目標(biāo)尋優(yōu)，并選擇最優(yōu)工藝參數(shù)組合，以保證構(gòu)件內(nèi)部溫度均勻性，降低經(jīng)驗(yàn)化調(diào)整淬火工藝參數(shù)造成的損失，為復(fù)雜構(gòu)件氣淬系統(tǒng)優(yōu)化提供一條快捷途徑。

附圖說明

圖1為本發(fā)明初始?xì)獯阆到y(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明溫度分布示意圖；

圖3為本發(fā)明最優(yōu)氣淬系統(tǒng)網(wǎng)格；

圖4為本發(fā)明最優(yōu)氣淬系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

一種基于CFD軟件對(duì)復(fù)雜構(gòu)件氣淬系統(tǒng)的優(yōu)化方法，包括如下步驟：

1)建立幾何模型：根據(jù)氣淬系統(tǒng)基本尺寸參數(shù)，建立氣淬系統(tǒng)的幾何模型，包括定義固體計(jì)算域和流體計(jì)算域；根據(jù)構(gòu)件基本尺寸參數(shù)利用建模軟件建立固體計(jì)算域并選取構(gòu)件周圍220*310mm²空間為流體計(jì)算域，得到構(gòu)件氣淬模型；

如圖1所示，構(gòu)件1由三段組成，兩端為Φ10×100mm圓柱，中間為Φ20×100mm圓柱，噴嘴2為Φ10mm圓孔，數(shù)量為3個(gè)，位于構(gòu)件1的上方，噴嘴口處距離工件100mm.由于圓柱工件為對(duì)稱結(jié)構(gòu),為簡化計(jì)算,建立二維模型即可。固體計(jì)算域的幾何模型大小為復(fù)雜構(gòu)件實(shí)際尺寸，流體計(jì)算域的幾何模型大小為310mm×220mm。

2)劃分網(wǎng)格：將固體計(jì)算域和流體計(jì)算域的幾何模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分；網(wǎng)格劃分選用結(jié)構(gòu)化Map網(wǎng)格，網(wǎng)格最小尺寸為1*1mm²；

3)將步驟2)中得到的網(wǎng)格劃分后的固體計(jì)算域和流體計(jì)算域幾何模型導(dǎo)入CFD軟件中，定義基本求解器(壓力基求解器及非穩(wěn)態(tài))、啟動(dòng)能量方程、指定湍流模型(根據(jù)雷諾數(shù)選擇K-e模型)、定義材料的物性參數(shù)(設(shè)置構(gòu)件的材質(zhì)、密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、初始溫度及冷卻介質(zhì)的材質(zhì)、密度、比熱容、黏度、導(dǎo)熱系數(shù))、邊界條件參數(shù)(基本工況有三個(gè)噴嘴，則分別設(shè)置三個(gè)速度入口冷卻介質(zhì)的速度、溫度、湍流強(qiáng)度和水力直徑；設(shè)置壓力出口的壓力、湍流強(qiáng)度和水力直徑；構(gòu)件壁面耦合熱邊界條件為couple，噴嘴壁面熱邊界條件為恒溫；其中，速度入口為冷卻介質(zhì)出口，壓力出口為為流體計(jì)算域的外部空間邊界，壁面條件為噴嘴壁面及構(gòu)件表面)及初始化(定義構(gòu)件初始溫度)后，開始數(shù)值模擬計(jì)算；

4)判斷是否收斂，殘差小于10^-6則收斂則，可得到構(gòu)件的溫度場云圖(圖2(a))，從圖中的溫度場分布能了解到構(gòu)件中最高溫度及最低溫度，為優(yōu)化使得溫度場均勻而提供判據(jù)，并進(jìn)行下一步驟；如果不收斂，對(duì)步驟2)中固體計(jì)算域和流體計(jì)算域的幾何模型重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化后，重復(fù)步驟1)～3)直至收斂為止；

5)重復(fù)步驟1)～4)，進(jìn)行多次數(shù)值模擬；每一次數(shù)值模擬過程中改變步驟1)中噴嘴2的位置、大小及數(shù)量和步驟3)中冷卻介質(zhì)的速度和溫度，得到多次數(shù)值模擬所對(duì)應(yīng)的溫度場數(shù)據(jù)；

6)將所述多次數(shù)值模擬所對(duì)應(yīng)的溫度場數(shù)據(jù)整理并建立數(shù)據(jù)庫，以構(gòu)件內(nèi)部溫度差最小為目標(biāo)，通過數(shù)據(jù)庫自動(dòng)尋優(yōu)，選擇最優(yōu)工藝參數(shù)組合，以保證構(gòu)件內(nèi)部溫度均勻性，得到最優(yōu)的溫度場(圖2(b))及其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格(圖3)和氣淬系統(tǒng)(圖4)。