Deform-3D热轧钢板淬火过程的温度场模拟(4)
淬火过程的计算机模拟在我国发展较晚。二十世纪80年代中期，上海重机厂等单位开始采用有限差分法，对大型轧辊淬火过程温度场进行了计算。尽管从数学模型、物性参数、换热系数等都进行了大量的简化，但是在计算结果的总体趋势上还是非常有意义的。
二十世纪80年代末，清华大学等单位采用有限单元法对大型轧辊和电机转子淬火过程的温度场、显微组织场及内应力场进行了模拟计算，并根据模拟计算结果对工艺提出了有益的改进意见[6]。
昆明理工大学程赫明等利用有限差法及非线性估计法，求解了部分钢种淬火工程中热传导的逆问题。他们考虑了相变潜热对温度场的影响及热物性参数随温度的变化关系，比较了水为淬火介质时的换热系数比油为淬火液时的表面换热系数大，结果表明，他们采用的上述方法是确定钢表面换热系数的一种有效方法[4]。
1.3.2淬火过程常用的数值模拟方法
大锻件热处理过程，基本上是工件内热传导问题。固体热传导问题常用数值解法有：有限差分法和有限单元法两种。
(1)有限差分法(FDM)有限差分法的基本思路是将微分方程用差分方程代替，通过数值计算求解各网格单元节点的温度，是一种数学上的近似方法。其特点是计算过程简单、计算精度较高。但有限差分法存在着严重的局限，即局限于规则的差分网格，只考虑节点的作用，而对于把节点联系起来的单元本身的特性并没考虑。
(2)有限单元法(FEM)有限单元法是以变分原理为基础、吸取了有限差分法中离散的思想而发展起来的一种有效的数值解法。有限单元法对于把节点连接起来的单元给予了足够的重视，正是这些单元构成的基本细胞，在各节点温度的计算过程中，单元会起到自己应有的“贡献”，有限单元法抓住这些单元的贡献，使得这种方法具有很大的灵活性和适应性，可方便地处理任何复杂形状边界，所以适用于具有复杂形状和条件的物体，亦可达到较高精度[7]。
有限单元法有两大分支，一是泛函变分法，二是从微分方程出发的变分法。由于不是每个问题都能找到其泛函，所以从微分方程出发的变分法即加权余量法，应用更加广泛。
1.4选题的目的和意义
高强度热轧钢板由于具有良好的强度和韧性，重量轻，成本低等优点，被大量应用于汽车结构件、建筑、工业等的制造。热轧钢板比冷轧钢板少很多工序，既节约成本也更环保，而且随着加工工艺和科技的不断进步，热轧钢板变得越来越薄，强度也越来越高，出于环保和节能的考虑，热轧钢板的应用前景必然会十分广泛。
在淬火冷却过程中，因为钢板内部温度分布不均匀，组织转变过程的不均匀而形成热应力和相变应力，这些应力的存在将直接影响钢板的组织性能和使用寿命。如果热处理不当，将会造成钢板组织性能达不到预定要求，甚至会产生过量变形或开裂而报废。生产实践表明，淬火冷却过程是热处理工艺中返修率最高和废品率最高的工序，是热处理质量控制中最难掌握的环节。要评估淬火件的组织转变情况及淬火残余应力，必须确定淬火冷却过程材料内部的温度随时间的分布规律。因而淬火过程温度场的确定是优化热处理工艺、提高零件内在质量的主要依据。淬火过程温度分布的传统分析方法是实验测定和经验判断。由于淬火是一个相当复杂的过程，受多种因素影响，而各影响因素之间又相互作用、相互制约。因此传统的方法不能完整、全面、准确地分析和预测淬火过程的温度场[8]。
计算机模拟（仿真）可将热处理过程的物理现象和钢材的几何造型有机地结合起来，实现动态的、逼真的模拟，因此用这一技术分析和研究淬火过程已受到高度重视。对于外形规则、对称的钢材，现已有多种方法计算其温度场。但对于外形过于复杂的板材，若从编制程序、调试、改进到应用过程完全靠几个工程技术人员手工完成，则由于问题的复杂性，不要耗费大量的人力和时间，而且很难保证完全排除程序中出现的人为错误，使之留下隐患。DEFORM-3D不仅解决了这些问题，而且可以更真实的描述钢板的几何形状和定解条件，特别是它还能成功地处理一些非线性初边值问题，通过友好的用户接口，可很容易获得钢板淬火过程动态图、温降历程、温度分布，因而特别适合钢板淬火过程温度场的动态模拟。