用户评测：COMSOL金属加工新模块能做好热处理仿真吗？

导读：大家好，我是仿真秀专栏作者Deformer，研究方向为材料加工领域力学模拟，擅长Deform软件的行业应用。先前在仿真秀官网发布过一套视频教程《Deform软件操作与案例精讲12讲-学习成形工艺仿真的建模分析流程》深受用户好评。

正值仿真秀8月内容创作者季，笔者在仿真秀专栏撰稿《热处理工艺仿真之 DEFORM VS COMSOL》被仿真秀平台选中，推荐给更多朋友，以飨读者，如有不当，欢迎批评指正。点击文尾阅读原文可以与我留言互动。

一、写在文前

对于 CAE 仿真，很多人的启蒙软件可能是 ANSYS，但对于材料专业的我，我的启蒙软件是 DEFORM，一个专攻于材料加工工艺的专业软件。和 ANSYS 这种通用软件相比，DEFORM 的应用并没有那么广泛，它主要是分析材料的热加工工艺，例如塑性变形和热处理仿真。DEFORM 在材料加工领域的认可度很高，一些研究人员甚至把它当作材料加工工艺仿真的标杆软件。

COMSOL 软件从版本 5.5 起加入了金属加工模块，用来计算钢铁材料的热处理相变。这引起了我的兴趣。在之前的印象中，COMSOL 是做多物理场仿真的分析软件，类似于 ANSYS，属于通用软件。对于钢铁热处理这个小而专的领域，似乎不属于它的领地。那么 COMSOL这个新加入的金属加工模块能做好热处理仿真吗？

二、钢齿轮的淬火过程模拟对照

我们通过一个钢齿轮的淬火过程模拟来解释这个问题。案例几何及材料参数均来自于DEFORM 软件热处理官方教程，案例的模型文件在 DEFORM 软件的安装目录下可以找到，

这是一个条件设置完整，材料参数齐全的钢齿轮淬火的仿真模型。现在我们只需要将DEFORM 中的边界条件和材料参数对应的输入到 COMSOL 中计算，然后和 DEFORM 的计算结果对比即可。

由于对称性，齿轮几何采用了 1/2 齿模型。初始温度 850℃，100℃淬火介质中冷却，分析 60s 后的相分布和温度分布。相变过程涉及到了三个相，奥氏体、珠光体和马氏体。对比过程需要注意的是，由于是两个不同的软件，软件的单位、默认模型可能会有不同，需要统一单位和模型。这个转换过程操作起来还是有点繁琐的。

首先我们将齿的几何模型导入 COMSOL 软件，设置零件的初始温度和边界换热条件。边界换热采用的是牛顿冷却公式——q=h* ΔT 来计算边界热通量，此处定义传热系数h=3000W/（m^2*K）即可表征零件和淬火介质之间的换热。

图 1 边界换热条件的定义

过冷奥氏体等温转变曲线 TTT 曲线（也称 C 曲线）是制定材料淬火工艺的重要依据；同样也是淬火工艺仿真的重要依据。奥氏体向珠光体转变，是在高温下发生的，属于扩散型相变。案例中采用的是等温转变动力学 JMAK 模型来模拟该过程。该模型是比较常用的相变模型，很多软件中都有内置，常用于珠光体和贝氏体的扩散型相变模拟。该模型需要确定时间常数和 Avrami 指数，这两个材料参数可以通过 TTT 曲线来计算，本案例中采用了后者，通过 TTT 曲线确定奥氏体-珠光体的相变 JMAK 模型。

图 2 DEFORM 和 COMSOL 软件 JMAK 模型设置

马氏体相变属于非扩散型相变，过冷度越大，转变量也越大。DEFORM 软件采用的马氏体相变模型可以考虑温度、碳含量、应力对相变过程的影响，COMSOL 内置的模型中没有完全一样的数学模型，所以在 COMSOL 设置中我选用了较为接近的 K-M 模型。公式 1、3分别来自 DEFORM 和 COMSOL 软件的官方帮助文档。对比中我们忽略应力对相变过程的影响，故令ψ31 和ψ32 等于零，则式 1 变为式 2 的形式，然后和 COMSOL 软件中的相变模型对比，我们可以很容易计算得到β和 Ms 的值。即β=ψ1，Ms=-ψ4/ψ1 。

图 3 DEFORM 和 COMSOL 软件马氏体相变模型设置

（DEFORM 软件中马氏体相变模型）（式 1）

式 1 中令ψ31=0，ψ32=0，则（式 2）

（COMSOL 软件中 K-M 马氏体相变模型）（式 3）

最后设置相变潜热和奥氏体、珠光体和马氏体的导热系数、热容、密度等参数，同样注意统一单位。所有参数、边界条件和几何模型完全统一后，就可以提交计算了，最后查看计算结果。两个软件计算结果基本一致，我们从温度和项分布两个维度对比结果。10s 时，DEFORM 温度分布是 195℃~362℃，COMSOL 温度分布是 194℃~359℃，两者结果非常接近。最终的马氏体分布都是芯部 0.6 左右，表层 0.98，并且追踪齿轮表面 P 点结果，曲线走势一致，大概都是 30s 左右时，马氏体分布达到稳定。从马氏体分布可以看出，淬火后，马氏体主要分布在表层，所以工程上常常通过淬火工艺提升零件的表面硬度。

图 4 DEFORM 和 COMSOL 软件计算结果

三、对比结论

至此，我们的对比过程就结束了，对于热处理相变模拟，DEFORM 和 COMSOL 得到了一致的结果。只要我们保证输入的边界条件和材料参数是一致的，那么无论我们采用哪个软件计算，都可以得到相同的温度分布和相分布。所以对于 COMSOL 的这个金属加工模块是可以放心使用的。