مهندسی به کمک کامپیوتر (CAE)

شبیه سازی فرایند عملیات حرارتی
مراحل شبیه سازی فرایند عملیات حرارتی کوئنچ - تمپر و اندازه گیری تنش پسماند باقی مانده برای قطعه ای به ابعاد نشان داده شده در شکل (1)، از جنس 42CrMo4 در متن زیر ارائه شده است.

جهت شبیه سازی چنین فرایندی نیاز به یک نرم افزار حل المان محدود بوده که قابلیت حل مدل های Couple Temperature-Displacement را به طور همزمان داشته باشد. روند شبیه سازی به این گونه است که ابتدا باید هندسه ای از قطعه مورد نظر در نرم افزار CAD تهیه و به نرم افزار تحلیل مدل فراخوانده شود.
در این پژوهش قسمتی از یک قطعه پیچیده که در شکل (1) قابل مشاهده است، جهت مشاهده رفتار حرارتی و اندازه گیری تنش پسماند باقی مانده در طی فرایند عملیات حرارتی مورد بررسی قرار گرفته است. فرایند عملیات حرارتی انجام شده بر روی این قطعه شامل نگهداری در دمای آستنیته به مقدار 8.5 ساعت و سپس کوئنچ در آب بوده و در ادامه قطعه مورد نظر در دمای تمپر حدود 15 ساعت نگهداری شده و در هوای آزاد تا رسیدن به دمای محیط سرد شده است.
برای شبیه سازی چنین مدلی نیاز است تا داده های قابل اطمینانی از خصوصیات ترموفیزیکی آلیاژ 42CrMo4 متغیر با دما در دست باشد. این اطلاعات شامل چگالی، ضریب انبساط حرارتی و ... بوده که در بانک اطلاعات مواد موجود در مرکز پژوهش متالورژی رازی قرار دارد. پس از تعریف این خصوصیات در نرم افزار نیاز است تا مراحل مختلف فرایند کوئنچ - تمپر مشابه آن چه در بالا تشریح شد، مرحله به مرحله برای نرم افزار تعریف شود تا مدل مشابه حالت واقعی شبیه سازی شود و از دقت نتایج به دست آمده نسبت به حالت واقعی اطمینان حاصل شود.
پس از تعریف خصوصیات ترموفیزیکی و مراحل شبیه سازی نیاز است تا مدل درنظر گرفته شده المان بندی یا همان مش بندی شود. این مرحله، این امکان را در اختیار ما قرارداده تا هندسه در نظر گرفته شده را به المان های کوچکتر تقسیم کرده تا دقت شبیه سازی افزایش یابد. باید به این نکته توجه داشت که هرچه تعداد المان های بیشتر، دقت شبیه سازی نیز بیشتر خواهد شد، ولی همزمان زمان شبیه سازی افزایش یافته که پدیده ی نامطلوبی است. برای رفع این مشکل باید استقلال نتایج به دست آمده از شبیه سازی را نسبت به شبکه یا همان المان ها بررسی کرد و در نهایت یک مش بندی بهینه را انتخاب نمود.
روالی که برای مسائل و پروژه های اجزاء محدود همواره باید لحاظ شود، بررسی استقلال نتایج از مش بندی مدل است. جواب های به دست آمده از یک تحلیل اجزاء محدود به شدت می تواند وابسته به نوع و اندازه المان های به کار رفته در مش بندی باشد. به این منظور از روش پذیرفته شده ای برای اثبات استقلال جواب ها از مش استفاده می شود که در زیر به ان اشاره شده است. در این پروسه، معمولاً سه اندازه مش متفاوت مورد بررسی قرار می گیرد. به این ترتیب که ابتدا از یک اندازه مش بزرگتر کار آغاز می شود، سپس در مرحله اول تا حدی اندازه مش باید کوچکتر شود و جواب های به دست آمده از این دو تحلیل با یکدیگر مقایسه شود. در مرحله آخر از اندازه مش ریزتری استفاده خواهد شد و مجدداً جواب های به دست آمده از این تحلیل با دو تحلیل قبلی مقایسه می شود. این بررسی تا زمانی ادامه می یابد که اختلاف جواب های دو تحلیل آخر با هم قابل صرف نظر کردن باشد. در این حالت، مش بندی ماقبل آخر به عنوان اندازه مش بهینه و قابل قبول تحلیل اعلام می شود. نمای از قطعه مش خورده در شکل (2) ارائه شده است:

نتایج:
توزیع دما در قطعه:
توزیع دما در قطعه پس از 26 ثانیه از شروع فرو رفتن در آب در شکل (3) قابل مشاهده است.

توزیع تنش پس ماند:
پس از حل حرارتی مدل در دو مرحله کوئنچ و تمپر میزان تنش پسماند باقی مانده در قطعه در شکل (4) قابل مشاهد است.

منحنی سرد شدن:

منحنی سرد شدن در مغز و سطح قطعه در نمودار (1) ارائه شده است.