CN106682346A - 一种基于cfd软件对复杂构件气淬系统的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CFD软件对复杂构件气淬系统的优化方法，包括建立构件气淬系统固体计算域和流体计算域几何模型；几何模型网格划分；网格模型导入CFD软件中，设置并求解温度场；通过修改相关参数，重复上述步骤，进行多次数值模拟；将所述多次数值模拟所对应的温度场数据整理并建立数据库，以构件内部温度差最小为目标，通过数据库自动寻优，选择最优工艺参数组合，以保证构件内部温度均匀性。本发明通过计算机模拟技术对各种气淬工况下构件内部的温度场进行预测，以构件内部温度差最小为目标寻优，以保证构件内部温度均匀性，为复杂构件气淬系统优化提供一条快捷途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种复杂构件热处理工艺优化方法，具体涉及一种基于CFD软件对复杂构件气淬系统的优化方法。
背景技术
淬火是金属加工的一道重要工序，通过调整和控制冷却介质参数以控制工件的温度场、组织场和应力场以及应变场，使得工件达到相应的组织要求和性能，并尽可能减小不均匀场导致的残余应力及残余应变，以提高金属工件质量。在淬火过程中，由于冷却不均匀导致金属工件温度分布不均匀，从而组织转变不均匀，产生热应力和组织应力，影响工件的机械性能，使得寿命下降，甚至造成工件产生裂纹或开裂而报废，直接影响工件质量。对于淬火的复杂构件，因其几何结构不均匀，工件截面厚度差异大，冷却速率不均匀导致的温度场不均匀问题更加突出。生产实践中，淬火过程是热处理中返修率和废品率最高、最难控制的环节，引起的经济损失不可小觑。因此，如何减少淬火过程中不均匀各场产生的残余应力是相关工作者最为关心的问题，而如何调整和控制工件的冷却速率，以改善温度场均匀性则是这一问题的最基础一步。
淬火过程中，工件与冷却介质间换热情况复杂，受工件形状、表面温度、所处流场及冷却介质的温度、流速等多种因素影响，难以定量分析。目前，冷却介质与工件之间的冷却速率多为定性分析或实验测量，不能满足精确、高效的控制要求。
淬火过程是一个多场耦合的复杂过程，理论求解非常困难，对复杂构件更不可能直接求解；相关实验涉及高温作业和在线测量，参数测量也相当困难；为了解不同冷却方案的效果时，需要进行大量实验，成本浪费太大；同时，由于构件冷却过程中的综合传热系数受构件的表面特性、温度以及冷却介质的流速分布等参数的影响，实验结果的普适性较差。基于上述原因，目前的淬火过程控制多为定性分析、经验调节，理论薄弱，技术落后。随着计算机技术发展，用数值模拟代替实验成为热点。对于复杂构件的气淬过程，将气体流动、传热过程与固体构件的传热过程相耦合，将CFD技术与最优化方法相融合，对气淬装置结构及其操作进行优化，可有效提高复杂构件气淬过程中冷却速率均匀性，减小构件中的残余应力，从而提高复杂构件的质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于CFD软件对复杂构件气淬系统的优化方法，利用CFD软件模拟得出复杂构件在各种工况下气体淬火的温度场，将各工况对应的温度场数据整理并建立数据库，以构件内部温度差最小为目标，通过数据库自动寻优，选择最优工艺参数组合，以保证构件内部温度均匀性。
为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案为：
一种基于CFD软件对复杂构件气淬系统的优化方法，包括如下步骤：
1)建立几何模型：根据气淬系统基本尺寸参数，建立气淬系统几何模型，包括定义复杂构件区域为固体计算域及流体区域为流体计算域；
2)划分网格：分别将固体计算域和流体计算域的几何模型导入网格划分软件中进行网格划分；
3)将步骤2)中得到的网格划分后的几何模型导入CFD软件中，定义基本求解器、启动能量方程、指定湍流模型、定义材料的物性参数、边界条件参数及初始化后，开始数值模拟计算；
4)判断是否收敛，如果残差小于设定值，则收敛并进行下一步骤；如果不收敛，对步骤2)中固体计算域和流体计算域的几何模型重新进行网格划分，优化网格后，重复步骤1)～3)直至收敛为止；
5)重复步骤1)～4)，进行多次数值模拟；每一次数值模拟过程中改变步骤1)中基本尺寸参数和步骤3)中边界条件参数；
6)将所述多次数值模拟所对应的温度场数据整理并建立数据库，以构件内部温度差最小为目标，通过数据库自动寻优，选择最优工艺参数组合，以保证构件内部温度均匀性。
所述步骤1)中基本尺寸参数包括构件的几何尺寸、喷嘴的位置、大小及数量。
所述步骤2)中网格划分优先选用结构化网格。
所述步骤3)中基本求解器选用压力基求解器及非稳态。
所述步骤3)中湍流模型根据雷诺数选择K-e模型。
所述步骤3)中材料的物理性质为构件的材质、密度、导热系数、比热容及冷却介质的材质、导热系数、密度、比热容、黏度。
所述步骤5)中改变的基本尺寸参数包括喷嘴的位置、大小及数量，改变的边界条件参数包括冷却介质速度、温度。
所述步骤3)中边界条件参数包括：
速度入口的冷却介质速度、温度、湍流强度、水力直径；
压力出口的压力、湍流强度、水力直径；
构件壁面耦合热边界及喷嘴壁面热边界；
其中，速度入口为冷却介质出口，压力出口为流体计算域的外部空间边界。
步骤4)中残差小于10^-6时收敛。
技术效果：本发明将CFD技术与最优化方法相融合，通过计算机模拟技术对各种气淬工况下构件内部的温度场进行预测，以构件内部温度差最小为目标寻优，并选择最优工艺参数组合，以保证构件内部温度均匀性，降低经验化调整淬火工艺参数造成的损失，为复杂构件气淬系统优化提供一条快捷途径。
附图说明
图1为本发明初始气淬系统示意图；
图2为本发明温度分布示意图；
图3为本发明最优气淬系统网格；
图4为本发明最优气淬系统示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
一种基于CFD软件对复杂构件气淬系统的优化方法，包括如下步骤：
1)建立几何模型：根据气淬系统基本尺寸参数，建立气淬系统的几何模型，包括定义固体计算域和流体计算域；根据构件基本尺寸参数利用建模软件建立固体计算域并选取构件周围220*310mm2空间为流体计算域，得到构件气淬模型；
如图1所示，构件1由三段组成，两端为Φ10×100mm圆柱，中间为Φ20×100mm圆柱，喷嘴2为Φ10mm圆孔，数量为3个，位于构件1的上方，喷嘴口处距离工件100mm.由于圆柱工件为对称结构,为简化计算,建立二维模型即可。固体计算域的几何模型大小为复杂构件实际尺寸，流体计算域的几何模型大小为310mm×220mm。
2)划分网格：将固体计算域和流体计算域的几何模型导入网格划分软件中进行网格划分；网格划分选用结构化Map网格，网格最小尺寸为1*1mm2；
3)将步骤2)中得到的网格划分后的固体计算域和流体计算域几何模型导入CFD软件中，定义基本求解器(压力基求解器及非稳态)、启动能量方程、指定湍流模型(根据雷诺数选择K-e模型)、定义材料的物性参数(设置构件的材质、密度、比热容、导热系数、初始温度及冷却介质的材质、密度、比热容、黏度、导热系数)、边界条件参数(基本工况有三个喷嘴，则分别设置三个速度入口冷却介质的速度、温度、湍流强度和水力直径；设置压力出口的压力、湍流强度和水力直径；构件壁面耦合热边界条件为couple，喷嘴壁面热边界条件为恒温；其中，速度入口为冷却介质出口，压力出口为为流体计算域的外部空间边界，壁面条件为喷嘴壁面及构件表面)及初始化(定义构件初始温度)后，开始数值模拟计算；
4)判断是否收敛，残差小于10^-6则收敛则，可得到构件的温度场云图(图2(a))，从图中的温度场分布能了解到构件中最高温度及最低温度，为优化使得温度场均匀而提供判据，并进行下一步骤；如果不收敛，对步骤2)中固体计算域和流体计算域的几何模型重新进行网格划分，对结构复杂部位进行网格细化后，重复步骤1)～3)直至收敛为止；
5)重复步骤1)～4)，进行多次数值模拟；每一次数值模拟过程中改变步骤1)中喷嘴2的位置、大小及数量和步骤3)中冷却介质的速度和温度，得到多次数值模拟所对应的温度场数据；
6)将所述多次数值模拟所对应的温度场数据整理并建立数据库，以构件内部温度差最小为目标，通过数据库自动寻优，选择最优工艺参数组合，以保证构件内部温度均匀性，得到最优的温度场(图2(b))及其对应的网格(图3)和气淬系统(图4)。
Claims (10)
1.一种基于CFD软件对复杂构件气淬系统的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)建立几何模型：根据气淬系统基本尺寸参数，建立气淬系统几何模型，包括定义复杂构件区域为固体计算域及流体区域为流体计算域；
2)划分网格：将固体计算域和流体计算域的几何模型导入网格划分软件中进行网格划分；
3)将步骤2)中得到的网格划分后的几何模型导入CFD软件中，定义基本求解器、启动能量方程、指定湍流模型、定义材料的物性参数、边界条件参数及初始化后，开始数值模拟计算；
4)判断是否收敛，如果残差小于设定值，则收敛并进行下一步骤；如果不收敛，对步骤2)中固体计算域和流体计算域的几何模型重新进行网格划分，优化网格后，重复步骤1)～3)直至收敛为止；
5)重复步骤1)～4)，进行多次数值模拟；每一次数值模拟过程中改变步骤1)中基本尺寸参数和步骤3)中边界条件参数；
6)将所述多次数值模拟所对应的温度场数据整理并建立数据库，以构件内部温度差最小为目标，通过数据库自动寻优，选择最优工艺参数组合，以保证构件内部温度均匀性。
2.根据权利要求1所述的基于CFD软件对复杂构件气淬系统的优化方法，其特征在于：所述步骤1)中基本尺寸参数包括构件的几何尺寸、喷嘴的位置、大小及数量。
3.根据权利要求1所述的基于CFD软件对复杂构件气淬系统的优化方法，其特征在于：所述步骤2)中网格划分优先选用结构化网格。
4.根据权利要求1所述的基于CFD软件对复杂构件气淬系统的优化方法，其特征在于：所述步骤3)中基本求解器选用压力基及非稳态求解器。
5.根据权利要求1所述的基于CFD软件对复杂构件气淬系统的优化方法，其特征在于：步骤3)中湍流模型根据雷诺数选择K-e模型。
6.根据权利要求1所述的基于CFD软件对复杂构件气淬系统的优化方法，其特征在于：所述步骤3)中材料的物性参数包括：构件的材质、密度、比热容、导热系数及冷却介质的种类、密度、比热容、导热系数、黏度。
7.根据权利要求1所述的基于CFD软件对复杂构件气淬系统的优化方法，其特征在于：所述步骤3)中边界条件参数包括：
速度入口的冷却介质速度、温度、湍流强度、水力直径；
压力出口的压力、湍流强度、水力直径；
构件壁面热边界及喷嘴壁面热边界；
其中，速度入口为冷却介质出口，压力出口为流体计算域的外部空间边界。
8.根据权利要求7所述的基于CFD软件对复杂构件气淬系统的优化方法，其特征在于：所述构件壁面热边界条件为couple，喷嘴壁面热边界为恒温热边界。
9.根据权利要求1所述的基于CFD软件对复杂构件气淬系统的优化方法，其特征在于：步骤4)中残差小于10^-6时收敛。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的基于CFD软件对复杂构件气淬系统的优化方法，其特征在于：所述步骤5)中，改变的基本尺寸参数包括喷嘴的位置、大小及数量，改变的边界条件参数包括速度入口的冷却介质速度和温度。
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