设计仿真 | 齿轮感应加热热处理综述

01 概述 OVERVIEW

对于齿轮的感应加热热处理过程，本文通过循环对称齿轮模型的感应加热案例简单介绍Marc的相变热处理仿真方法和流程。

循环对称模型仿真须满足模型结构和边界条件都遵循循环对称条件，从而在很大程度缩减模型规模、简化模型，减少求解时间和内存需求，实现更精细的网格，更详细地研究模型。

在整体齿轮简化为循环对称的模型后，进行感应加热，淬火连续工艺过程仿真，发现齿轮淬火导致奥氏体向马氏体的转换，从而在相变区域获得更好的材料性能；但也会在齿轮内部引入各种残余应力，从而改变其机械性能。

02  模型建模细节 Model modeling details 

齿轮有18个齿，采用循环对称只建立一个齿牙，再进行厚度方向对称定义，然后进行有限元网格划分。感应加热阶段，电磁线圈内定义150kHz频率的1200A感应电流进行齿轮加热，加热时间2s，然后关闭感应线圈，进行淬火冷却，冷却时间7s内。

 图1 齿轮含空气的简化模型

为正确计算电磁场，另外需要对齿轮周围的空气进行建模，齿轮附近的空气已采用精细网格建模（接触体：InnerAir和BelowGearAir），而远离齿轮的空气则采用粗网格建模（接触体：OuterAir）。线圈的扇区是单独建模的，这样它就可以在施加电流的电路中使用。图1所示。

03 边界条件 Boundary

3.1 电流

当施加电流时，假设该电流在线圈内是恒定的。当截面中线圈的长度与整个线圈的长度不同时，不需要改变。当使用反对称或循环对称并且电流垂直于反对称或周期对称平面时，通常是这种情况。当由于对称性，线圈的横截面积减少时，电流应减少相同的量。

3.2 电压

与此相反，当施加电压时，电压降沿着线圈的长度发生。因此，当对线圈总长度的1/n进行建模时，也应施加电压降的1/n。当由于对称性，线圈的横截面积减小时，电压降将不会改变。

3.3接触

各个零件模型部件之间的接触关系在感应加热和冷却过程有所区别，如下图2、3所示：其中齿轮的淬火是通过为齿轮接触体选择对环境的高传热系数而通过接触来完成的定义如下图4所示。

图2 感应加热接触表

图3 冷却接触表

图4 对流换热系数 

04 求解过程 solution

定义了两种载荷情况。在第一种负载情况下，使用固定步进加热齿轮2s。第二种负载情况下，齿轮被迅速冷却。这是通过使用第二个接触表来完成的，在该接触表中，齿轮不再与主体InnerAir和BelowGearAir接触，从而可以向环境散热。使用自适应多标准步进程序，其中每个节点允许40°C的最大温度增量。请注意，当选择较小的温度增量（如20°C）时，相变的结果将稍微更准确。 

05 结果 Results

图5显示了加热阶段结束时齿轮中的温度。图6显示了加热阶段齿轮中感应电流的电流密度。在模拟开始时，齿轮完全由铁素体组成，图7显示了分析终止时马氏体的分布。图8显示了分析结束时的Von Mises应力。

图5 温度场

图6 感应电流分布

图7 马氏体转换

图8 Mises应力分布

06 参照 Consult

敬请参照 “Marc2022.4用户手册 e122 案例，案例中含所需要的数据文件。