Abaqus|法兰盘淬火过程残余应力模拟

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1、简介

法兰盘图1所示，又叫法兰凸缘盘或突缘。法兰是管子与管子之间相互连接的零件，用于管端之间的连接。生产法兰时，常用的工艺是锻造、铸造、割制和卷制。锻造工艺过程一般由选取优质钢坯下料、加热、成形、锻后冷却组成。其加热、冷却过程实际是一种淬火过程，该过程通过感应器对工件的局部进行加热，然后迅速冷却，从而使工件产生压残余应力，抵消工作载荷产生的一部分拉应力，起到缓解应力集中的作用。

图1 法兰盘

2、问题描述

为了模拟淬火过程，该模型分为高温区和低温区两部分，如图2所示。在高温区升温，模型发生膨胀，产生残余压应力。法拉盘的底端固定，另一端施加大小为100MPa的面载荷。通过淬火过程，观察残余应力对应力集中起到的缓解作用。

图2 法兰盘模型

3、技术路线

本文建立了图3所示的一半结构的有限元模型，探讨了其残余应力在淬火过程中延缓应力集中的作用。材料的弹性模量为210GPa,泊松比为0.3，线膨胀系数设置为1.4e-5/°C。

淬火过程包含三个分析步，第一步是在高温区升温到120度，这一步引入残余应力；第二步在法兰盘的上表面施加面载荷；第三步为保持载荷不变，将高温区的温度降至常温20度。

图3 有限元模型

4、结果

图4展示了分析步1所获得的最小主热应力，节点编号为561处的最小主应力值为-219.6MPa,其，位于圆角位置处。图5为分析步2获得的面载荷和温度残余应力共同存在时的最大主应力云图，在其节点561处的应力值为301.6MPa。图6为分析步3获得最大主应力图，此时温度降为20度，即无残余应力场，其节点561的的最大主应力为447.7MPa。可见残余应力显著地降低了应力集中处的最大主应力，在此节点处，最大主应力降低了447.7-301.6=146.1MPa。