一种基于abaqus二次开发的热处理建模分析方法技术

本发明专利技术涉及一种基于abaqus二次开发的热处理建模分析方法，属于材料仿真分析方法技术领域。本发明专利技术的技术方案是：采用Fortran编写abaqus用户子程序文件，实现对特殊钢材料在热处理过程中的温度、相变、应变、硬度和碳扩散多场耦合模型分析；应用Python语言开发abaqus GUI热处理分析用户界面，为零部件热处理的参数化建模分析提供技术支持。本发明专利技术的有益效果是：提高零件的生产精度和使用寿命，减少实验成本，节约资源与能源，对支撑特殊钢的选材用材有重要的参考价值。材有重要的参考价值。材有重要的参考价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于abaqus二次开发的热处理建模分析方法


[0001]本专利技术涉及一种基于abaqus二次开发的热处理建模分析方法，属于材料仿真分析方法


技术介绍

[0002]淬透性是齿轮钢等特殊钢材料的重要性质之一，淬透性带宽对于热处理畸变有重要影响。化学成分的精确控制对特殊钢的性能稳定性、均匀性有着至关重要的作用。目前，建立的淬透性曲线数学模型、人工神经网络模型等虽在工程应用中具有一定价值，但不能体现端淬试样显微组织和硬度变化的内在机理，给用户传递全面直观的分析结果，具有一定局限性。
[0003]齿轮、轴承等渗碳淬火具有耗时长、费用高的特点，且在热处理过程中存在热处理变形大且变形不规律的技术难题，成分选择上多依赖技术人员经验，并需经过多轮工业试验优化。因此提供特殊钢材料高效精确的热处理分析手段及选材技术是行业一大难题。
[0004]热处理过程是温度、相变、应力应变相互耦合的复杂过程。随着计算机技术和数值计算理论的发展，一些专业热处理仿真软件开发包也得到发展，满足人们对金属零件的热处理多场耦合的一定需求，但在材料模型的选择与应用上存在局限性。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是提供一种基于abaqus二次开发的热处理建模分析方法，通过将用户模型植入待仿真软件中，实现对端淬、渗碳等热处理工艺过程的仿真分析，可大大提高端淬分析、渗碳淬火等热处理分析的建模效率，实现基于成分与工艺的相变、硬度、变形的多场耦合分析，提高零件的生产精度和使用寿命，减少实验成本，节约资源与能源，对支撑特殊钢的选材用材有重要的参考价值，有效地解决了
技术介绍
中存在的上述问题。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种基于abaqus二次开发的热处理建模分析方法，包含以下步骤：
[0007](1)建立温度
‑
相变
‑
变形
‑
成分
‑
硬度耦合的材料模型，确定材料相变参数、各相热导率、比热、热膨胀系数、C扩散系数和成分温度耦合的材料弹塑性模型参数，将关键材料参数如化学成分和晶粒尺寸进行参数化；
[0008](2)确定热处理零件的几何参数与设计范围，在abaqus python中建立端淬部件、齿轮和轴类零件的二维或三维几何模型；
[0009](3)进行热处理工艺的参数化建模，进行参数优化分析，包括定义热处理分析时间、淬火温度、边界对流换热系数及网格尺寸，对于渗碳分析还需定义渗碳温度、渗碳时间和富化率参数；
[0010](4)利用abaqus python二次开发功能，生成模型文件，用于批量提交计算；
[0011](5)利用abaqus python二次开发功能，定制化开发热处理结果分析程序，如自动批量提取端淬曲线的分析结果并输出；
[0012](6)应用abaqus GUI开发功能，建立热处理模块，包括材料定义窗口、端淬分析窗口、渗碳分析窗口和后处理分析窗口，热处理模块插件程序保存在用户工作目录下的Abaqus_plugins文件夹内。
[0013]所述步骤(1)中，建立温度
‑
相变
‑
变形
‑
成分
‑
硬度耦合的材料模型的步骤如下：
[0014](a)采用Python开发通过化学成分预测相变临界点、等温转变TTT曲线预测程序及连续冷却转变CCT曲线预测程序；
[0015]其中相变临界点采用成分回归模型，可选的模型有：
[0016]AC1＝739.3
‑
22.8C
‑
6.8Mn+18.2Si+11.7Cr
‑
15Ni
‑
6.4Mo
‑
5V
‑
28Cu
[0017]AC3＝937.3
‑
224.5C
0.5
‑
17Mn+34Si
‑
14Ni+21.6Mo+41.8V
‑
20Cu
[0018]BS＝752
‑
223.5C
‑
55Mn
‑
21.6Si
‑
46.8Cr
‑
36.9Ni
‑
47.4Mo
‑
70V
‑
11Cu
[0019]MS＝532.6
‑
396.7C
‑
33Mn
‑
1.4Si
‑
14Cr
‑
18Ni
‑
11Mo+49.7V+31Cu
[0020]等温转变TTT曲线预测程序采用Li相变模型，连续冷却转变CCT曲线预测程序的转变初始点采用Li模型，转变终止点采用Li项目模型或JMAK模型，
[0021]Li模型的表达形式为：
[0022][0023][0024]F为化学成分质量百分数和晶粒尺寸G的函数，ΔT为过冷度，Q为扩散反应的活化能，R为气体常数，过冷度的指数n为由有效扩散机制确定的经验常数，其中铁素体和珠光体为2，贝氏体为3；S(X)是反应速率项；
[0025]JMAK模型的表达式为：
[0026]扩散型转变Vx＝1
‑
exp(
‑
b
·
t
n
)
[0027]马氏体转变V
M
＝1
‑
exp(
‑
α
M
(Ms
‑
T))
[0028]V为转变量，b为影响因子，n为时间指数。
[0029](b)采用热膨胀试验获取的TTT数据或CCT数据进行相变模型对标优化分析，应用python开发优化分析程序，将Li模型中铁素体、珠光体和贝氏体的成分参数项及反应速率参数项作为优化参数项，JMAK模型中将相变参数作为优化参数项，确定曲线误差函数，采用参数优化分析方法对各相相变参数进行优化分析；
[0030](c)基于上述模型进行abaqus子程序开发，将化学成分和晶粒尺寸作为传入参数，混合材料的热物性和力学性能采用混合法则来确定；UMATH子程序基于Li模型或JMAK模型及梅尼尔硬度预测模型开发，计算组织转变量、相变潜热及硬度；UEXPAN子程序计算热应变、相变应变与相变塑性应变；UHARD子程序计算成分、温度和应变耦合的屈服强度；SDVINI定义各相转变量、硬度和碳含量的状态变量初始值；USDFLD定义场变量、传递相组成和应力参数。
[0031]所述步骤(3)的参数优化分析方法应用isight优化分析工具。
[0032]所述步骤(6)中，材料定义窗口输入多组材料成分，进行同工艺批量计算，并将结果存储在用户制定的文件夹下；端淬分析窗口按照GBT225标准建立，由用户定义模型名称、
端淬试验温度、冷却时间、室温、冷却介质换热系数、网格尺寸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于abaqus二次开发的热处理建模分析方法，其特征在于包含以下步骤：(1)建立温度
‑
相变
‑
变形
‑
成分
‑
硬度耦合的材料模型，确定材料相变参数、各相热导率、比热、热膨胀系数、C扩散系数和成分温度耦合的材料弹塑性模型参数，将关键材料参数如化学成分和晶粒尺寸进行参数化；(2)确定热处理零件的几何参数与设计范围，在abaqus python中建立端淬部件、齿轮和轴类零件的二维或三维几何模型；(3)进行热处理工艺的参数化建模，进行参数优化分析，包括定义热处理分析时间、淬火温度、边界对流换热系数及网格尺寸，对于渗碳分析还需定义渗碳温度、渗碳时间和富化率参数；(4)利用abaqus python二次开发功能，生成模型文件，用于批量提交计算；(5)利用abaqus python二次开发功能，定制化开发热处理结果分析程序，如自动批量提取端淬曲线的分析结果并输出；(6)应用abaqus GUI开发功能，建立热处理模块，包括材料定义窗口、端淬分析窗口、渗碳分析窗口和后处理分析窗口，热处理模块插件程序保存在用户工作目录下的Abaqus_plugins文件夹内。2.根据权利要求1所述的一种基于abaqus二次开发的热处理建模分析方法，其特征在于：所述步骤(1)中，建立温度
‑
相变
‑
变形
‑
成分
‑
硬度耦合的材料模型的步骤如下：(a)采用Python开发通过化学成分预测相变临界点、等温转变TTT曲线预测程序及连续冷却转变CCT曲线预测程序；其中相变临界点采用成分回归模型，可选的模型有：AC1＝739.3
‑
22.8C
‑
6.8Mn+18.2Si+11.7Cr
‑
15Ni
‑
6.4Mo
‑
5V
‑
28CuAC3＝937.3
‑
224.5C
0.5
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17Mn+34Si
‑
14Ni+21.6Mo+41.8V
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20CuBS＝752
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223.5C
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55Mn
‑
21.6Si
‑
46.8Cr
‑
36.9Ni
‑
47.4Mo
‑
70V
‑
11CuMS＝532.6
‑
396.7C
‑
33Mn
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：杨婷，段路昭，罗扬，刘子健，刘需，刘天武，孙力，
申请(专利权)人：河北大河材料科技有限公司河钢股份有限公司，
类型：发明
国别省市：