skin-牯
基于
ABAQUS
法兰盘感应淬火残余应力场仿
真
201
2
年
7
月
基于
ABAQUS
< br>法兰盘感应淬火残余应力场仿真
摘要
：
表面感应淬火是一种工程中常用的热处理工艺，
使用感应器来对工件的局
部进行加热、迅速冷却，
< br>从而使工件表面产生残余应力，
抵消工作载荷所产生的
部
分拉应力。
本文就不同淬火温度下产生的残余应力大小的合理性及残余应力对
缓解应力集中的作用两方面进行了分析，
分析就过对提高产品质量、
疲劳寿命及
减少安全隐患有很大帮助。
关键字
：法兰盘；残余应力；感应淬火；温度场；
< br>ABAQUS
法兰盘在制造过程中，将受到来自各
种工艺等因素的作用与影响且其影响不
能随之而完全消失，仍有部分
作用与影响
残留在构件内，则这种残留的作用与影响
称为残留应
力或残余应力。法兰盘是使管
子与管子相互连接的零件，
法兰连
接使用方
便，能够承受较大的压力。在工业管道中，
法兰连接的
使用十分广泛，
法兰盘的作用就
是使得管件连接处固定并密封，
法兰连接是
管道施工的重要连接方式。
2.1
思路
设定整个模型的初始温度
20
C
，在
分
析步中令淬硬层区域的温度升高至某个温
度值
T
high
，其余区域的温度保持
20
C
。这种
温度差异会使高温区
域产于压应力，
相当于
所要模拟的残余压应力。
经过几次运算，
就
可以找到合适的
T
high
，使法兰盘内圆角表面
压应力与试验结果大致吻合。
施加工作载荷
时，保持上述温度场
不变，就可以模拟在残
余应力作用下应力场。
2.2
主要研究内容
①对淬硬层不同温度所产生的残余应
力分析；
②对在相同外载荷，
残余应力对缓和应
力集
中的作用进行分析。
o
o
1
、问题的提出
残余应力是一个不稳定的应力状态，
构
建受外力时，与残余
应力相互作用，
使构件
某些局部呈现塑性变形。
在实际工况中，
法
兰盘经过表面感应淬火后，
淬硬层将会产生
残余应力，影响着法兰的强度、寿命。本文
就法兰盘不同淬火温度的残余应力场进行
仿真分析，
并分析此残余应力在缓和应力集
中方面所起的作用，
最后针对模
型得出合理
的淬火温度及产生的残余应力。
3
、力学模型
本文以内孔直径为
24mm
，
材料的
弹性模
量为
2.1e5MPa
，
泊松比为
0.3
，
线
胀系数为
1.35e-5
C
的法兰盘进
行建模，
其一端固定，
另
一
端
的
整
个
端
面
受
到
向
下
的
面
载
荷
o
2
、研
究思路及内容
1
基于
ABAQUS
法兰盘感应淬火残余应力场仿真
201
2
年
7
月
p=100MPa
。
由假定实验测得法兰盘的内圆角
表面残余应力约为
-4
30MPa
。
3.1
三维模型
尽管几何模型和残余应力场都具有轴
对称，
但端面上的载荷
不具有轴对称，因此
需要建立三维实体模型（基于对称性，只对
1/2
模型进行建模）
，如图
1
：
根据法兰盘工况，法兰盘的底部使用
全约束，法兰盘对称面的各个区域使用
ZSYMM
< br>。
对称面
淬硬层的分界线
图
3
边界条件模型
3.5
设置分析步
本模型属于静态响应，分析步类型为
图
1
三维模型
Static
，
general
。
①第一个分析步：
淬火硬层区域的温度
分别
升高至
100
C
、
< br>120
C
、
140
C
、
160
C,
其余区域的温度保持
20
C
，不施加外载荷，
仿真工件的残余应力场。
②第二个分析步：
保持上述温度场不变
(
有残余应力
)
，施加外载荷
p=100MPa
。
③第三个分析
步：
整个工件的温度都变
为
20
o
C
（
无
残
余
应
力
）
，
保
持
外
载
荷
p=100MPa
，从而得到没有残余应力时的应
o
o
o
o
o
3.2
定义材料、截面属性
设置杨氏模量为
210000
，
泊松比为
0.3
，
线胀系数
1.35e-5
。
3.3
划分网格
由于关心的是应力集中部位的应力状
态，所以淬硬层使用
C
3D20R
单元类型。
淬硬层
力场，用来与第二个分析步结果作比较。
图
2
网格划分
3.4
边界条件
2
基于
A
BAQUS
法兰盘感应淬火残余应力场仿真
2012
年
7
月
<
/p>
600
最
小
主<
/p>
应
力
σ
m
i
n
p
500
400
300
200
100
0
100
120
不同淬火温度
140
160
6
35号节点
图
4
定义温度场载荷模型
图
6
第一分析步（无外载荷）
由上图表明
最小主应力随着淬火温度
的上升而增大，
淬火温度越高残余应力
就越
4
、有限元计算结果分析
由分析处理后可以得到图
5
法兰盘圆角
大，过大的残余应力
（实验得知本模型残余
应力为
σ
minp
=430MPa
）既不能平衡工作载荷
产生的拉应力，
还会对法兰
盘的刚度、寿命
表面残余应力的曲线图（第一分析步，温度
场，
无应力场）
.
σ
minp
产生影响。当淬火的温度在
120
C
时，
=433MPa
与实
验相符。因此，将淬火硬
o
o
层区
域的温度设为
120
C
是比较合理的。
635
号节点
641
号节点
图
5
取法兰盘内圆角表面路径曲线
从图中
并结合模型得出，
最小主应力在
635
号节点处值为
σ
minp
图
7
淬火层圆角处最小主应力
=433MPa
。
< br>分析残余应力的缓解应力集中方面的
作用，
在第一个分析
步中，内圆角
641
号节
点应力为
σ
minp
不同淬火温度下残余应力的大小
各异，
从而对法兰盘带来不同的影响。下图表明
100
C
、
120
C
、
140
C
、
160
< br>C
温度下，
淬火温度的产生的残余应力的大小。
（法兰
盘圆角处
635
号节点残余应力曲线图。
o
o
o
o
=
-238MPa
。
3
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