大直径厚壁气瓶淬火过程多场耦合数值模拟
发布时间：2021-03-22 03:55
随着燃气汽车的广泛应用,储气站用气瓶使用量日益增加,增大气瓶容量和公称压力是提高气瓶储气能力的关键。为适应市场需求,开发大直径厚壁气瓶很有必要。传统站用气瓶的壁厚薄,淬火时将瓶口封堵,仅对其外壁进行单面淬火即可淬透。而大直径厚壁气瓶,必须对其内部和外部同时进行淬火冷却方能满足综合力学性能要求。由于大直径厚壁气瓶瓶口小,内径大,瓶壁厚、尺寸长,给气瓶淬火冷却带来很大困难。因此,研究设计适合大直径厚壁气瓶淬火冷却的工艺规程,是该类气瓶生产制造所急需解决的关键技术问题。对该问题的研究,不仅可以为大直径厚壁气瓶的淬火热处理工艺设计提供依据,还可以进一步加深对具有相对封闭内腔的工件在淬火冷却过程中,其内壁与淬火介质间热交换规律及内腔中压力变化规律的认识。因而,具有重要的理论与实际意义。论文以外径Φ914mm,壁厚38mm的大直径厚壁气瓶为研究对象,以大型有限元商业软件FLUENT和DEFORM为计算平台,对气瓶内部不同淬火工艺下的流动换热、应力及组织进行数值模拟计算,研究满足气瓶被淬透和获得组织均匀性的合理工艺及参数。对长度较短的厚壁气瓶采用浸水淬火工艺进行冷却,考虑了气瓶的旋转,采用滑移网格法...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
大容积无缝钢质气瓶
承压强度低等缺陷，在很大程度上提高了气瓶的耐压性和密闭性，目前已被广泛应用[10-12]。现有的无缝钢质气瓶主要有拉拔和热旋压两种成形制造方法[13-17]。拉拔成形是将先将圆坯进行加热，然后使用液压机对其反向挤压为厚壁带底圆筒，通过辊轮模和圈模进行拉拔，采用旋压工艺对其局部加热并收口制成所需的气瓶。拉拔成形的可靠性和安全性较高，具有强度高、整体性好和成形尺寸准确等特点。热旋压成形法是将无缝钢管坯料端部加热后，随机床主轴转动的同时，用赶棒或旋轮施加使之产生局部塑性变形，最终收口、收底制成气瓶，如图1-2所示[18]。热旋压工艺是目前应用最广泛的方法，具有生产效率较高、模具和设备简单、投入较小等优点，但由于该工艺制造的气瓶壁厚误差大，瓶底增厚较困难，特别是直管与圆弧过渡区域的增厚难度较大，是高应力危险段，影响了气瓶的安全性能。图1-2热旋压成形工艺Fig.1-2Hotspinningformingprocess传统拉拔工艺发展历史久远，手工拉丝在公元前20-30世纪的出现奠定了拉拔工艺的基础，12世纪确立了拉拔法，德国于13世纪中叶首次制造了水力拉拔机，拉拔工艺目前主要应用在线材成形上[18]。由于传统拉拔工艺对模具磨损较大，影响了产品的质量和尺寸精度。为克服这一缺点，新的拉拔技术不断涌现。日本的五弓勇雄教授于1956年发明了辊模拉拔工艺，该工艺减弱了轧辊与零件间的摩擦，表面质量高；上世纪60年代初，前苏联学者研制了带支撑辊的辊模，提高了拉拔产品的精度；
第2章气瓶材料参数测定及淬火工艺方案制定-21-素体、贝氏体和少量马氏体，硬度为HV322-385；当冷速继续增大且小于25.0℃/s时，组织为马氏体和少量贝氏体组织；当冷速大于25.0℃/s后，组织为马氏体组织，硬度HV＞592。10-210-110010110210310402004006008001000Mf=180℃1.921129432132238543255256659210Ac1=819℃PFB0.080.350.73.81525温度/℃60MAc3=879℃1.0HV627Ms=349℃时间/s图2-34130X钢CCT曲线Fig.2-3CCTcurvesof4130Xsteela)v=0.35℃/s；b)v=1.0℃/s；c)v=3.8℃/s；d)v=10.0℃/s；e)v=25.0℃/s；f)v=60.0℃/s图2-4不同冷速下4130X的金相显微组织Fig.2-4Microstructureof4130Xsteelunderdifferentcoolingrates根据材料4130XCCT曲线中不同冷速下对应的硬度及获得的金相组织特点，将为第四章浸水淬火过程的验证试验提供重要的理论依据。b)d)e)a)c)f)
【参考文献】：
期刊论文
[1]CK式搅拌槽流场数值模拟分析[J]. 周胜,李茂林,崔瑞,姚伟,江宏强. 矿产保护与利用. 2019(01)
[2]关于国内外大容积钢质无缝气瓶标准的对比分析[J]. 王洪海,陈俊德,陈冬,桑伟. 中国特种设备安全. 2018(12)
[3]虹吸管道内流场数值模拟研究及分析[J]. 雷瑶,汪长炜,纪玉霞. 计算力学学报. 2018(06)
[4]舰船空气流场数值模拟及特性分析[J]. 郭佳豪,祝小平,周洲,许晓平. 西北工业大学学报. 2018(06)
[5]动基座近舰面流场数值模拟[J]. 李旭,祝小平,周洲,郭佳豪. 航空学报. 2018(12)
[6]基于Fluent数值模拟的柱塞外壁开槽优化设计[J]. 李庭玉. 天然气技术与经济. 2017(05)
[7]热处理过程流场-温度场-组织场-应力场耦合模拟研究[J]. 张李强,王婧,骆晓萌,顾剑锋. 金属热处理. 2017(08)
[8]全淬透圆柱件淬火应力的有限元模拟及实验验证[J]. 刘玉,秦盛伟,左训伟,陈乃录,戎咏华. 金属学报. 2017(06)
[9]CNG加气站用储气设施的现状与对策[J]. 王晋. 中国石油和化工标准与质量. 2017(07)
[10]Numerical simulation on boiling heat transfer of evaporation cooling in a billet reheating furnace[J]. 冯明杰,王恩刚,王海,李艳东,刘兵. Journal of Central South University. 2016(06)
博士论文
[1]冷轧高强钢板带热处理过程板形变化规律研究[D]. 曹强.北京科技大学 2015
[2]CNG气瓶拉拔工艺研究[D]. 郝海滨.燕山大学 2014
[3]铝合金大型复杂构件热处理过程的多场耦合模型与变形预报[D]. 杨夏炜.哈尔滨工业大学 2013
[4]水-空交替控时淬火冷却设备的研究与应用[D]. 左训伟.上海交通大学 2010
[5]流场计算机模拟在热处理炉设计中的应用[D]. 王婧.上海交通大学 2008
[6]数值模拟技术在燃气轮机零部件锻造及热处理过程中的应用[D]. 吕成.大连理工大学 2007
硕士论文
[1]轴类锻件热处理工艺的数值模拟与试验验证[D]. 潘伟平.山东大学 2018
[2]锥齿轮淬火变形控制的数值模拟研究[D]. 侯兴隆.哈尔滨工程大学 2018
[3]站用气瓶淬火冷却均匀性模拟[D]. 徐钦冉.燕山大学 2017
[4]大直径无缝钢质气瓶用钢34CrMo4的热处理研究[D]. 张荣晓.河北工程大学 2016
[5]大直径厚壁压力气瓶淬火冷却过程流场与温度场模拟[D]. 朱国善.燕山大学 2014
[6]大直径厚壁压力气瓶淬火过程数值模拟[D]. 王莉莉.燕山大学 2014
[7]34CrMo4钢冲压气瓶的成形工艺优化[D]. 翟春海.重庆大学 2014
[8]42CrMo钢热处理过程数值模拟及换热系数的测定[D]. 许瑾.大连交通大学 2013
[9]轮毂旋压机加工力学参数的确定与关键部件设计及优化[D]. 刘彧.浙江大学 2012
[10]9SiCr常压气雾淬火过程的数值模拟与实验研究[D]. 丁冬芳.昆明理工大学 2011
本文编号：3093774
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
大容积无缝钢质气瓶
承压强度低等缺陷，在很大程度上提高了气瓶的耐压性和密闭性，目前已被广泛应用[10-12]。现有的无缝钢质气瓶主要有拉拔和热旋压两种成形制造方法[13-17]。拉拔成形是将先将圆坯进行加热，然后使用液压机对其反向挤压为厚壁带底圆筒，通过辊轮模和圈模进行拉拔，采用旋压工艺对其局部加热并收口制成所需的气瓶。拉拔成形的可靠性和安全性较高，具有强度高、整体性好和成形尺寸准确等特点。热旋压成形法是将无缝钢管坯料端部加热后，随机床主轴转动的同时，用赶棒或旋轮施加使之产生局部塑性变形，最终收口、收底制成气瓶，如图1-2所示[18]。热旋压工艺是目前应用最广泛的方法，具有生产效率较高、模具和设备简单、投入较小等优点，但由于该工艺制造的气瓶壁厚误差大，瓶底增厚较困难，特别是直管与圆弧过渡区域的增厚难度较大，是高应力危险段，影响了气瓶的安全性能。图1-2热旋压成形工艺Fig.1-2Hotspinningformingprocess传统拉拔工艺发展历史久远，手工拉丝在公元前20-30世纪的出现奠定了拉拔工艺的基础，12世纪确立了拉拔法，德国于13世纪中叶首次制造了水力拉拔机，拉拔工艺目前主要应用在线材成形上[18]。由于传统拉拔工艺对模具磨损较大，影响了产品的质量和尺寸精度。为克服这一缺点，新的拉拔技术不断涌现。日本的五弓勇雄教授于1956年发明了辊模拉拔工艺，该工艺减弱了轧辊与零件间的摩擦，表面质量高；上世纪60年代初，前苏联学者研制了带支撑辊的辊模，提高了拉拔产品的精度；
第2章气瓶材料参数测定及淬火工艺方案制定-21-素体、贝氏体和少量马氏体，硬度为HV322-385；当冷速继续增大且小于25.0℃/s时，组织为马氏体和少量贝氏体组织；当冷速大于25.0℃/s后，组织为马氏体组织，硬度HV＞592。10-210-110010110210310402004006008001000Mf=180℃1.921129432132238543255256659210Ac1=819℃PFB0.080.350.73.81525温度/℃60MAc3=879℃1.0HV627Ms=349℃时间/s图2-34130X钢CCT曲线Fig.2-3CCTcurvesof4130Xsteela)v=0.35℃/s；b)v=1.0℃/s；c)v=3.8℃/s；d)v=10.0℃/s；e)v=25.0℃/s；f)v=60.0℃/s图2-4不同冷速下4130X的金相显微组织Fig.2-4Microstructureof4130Xsteelunderdifferentcoolingrates根据材料4130XCCT曲线中不同冷速下对应的硬度及获得的金相组织特点，将为第四章浸水淬火过程的验证试验提供重要的理论依据。b)d)e)a)c)f)
【参考文献】：
期刊论文
[1]CK式搅拌槽流场数值模拟分析[J]. 周胜,李茂林,崔瑞,姚伟,江宏强. 矿产保护与利用. 2019(01)
[2]关于国内外大容积钢质无缝气瓶标准的对比分析[J]. 王洪海,陈俊德,陈冬,桑伟. 中国特种设备安全. 2018(12)
[3]虹吸管道内流场数值模拟研究及分析[J]. 雷瑶,汪长炜,纪玉霞. 计算力学学报. 2018(06)
[4]舰船空气流场数值模拟及特性分析[J]. 郭佳豪,祝小平,周洲,许晓平. 西北工业大学学报. 2018(06)
[5]动基座近舰面流场数值模拟[J]. 李旭,祝小平,周洲,郭佳豪. 航空学报. 2018(12)
[6]基于Fluent数值模拟的柱塞外壁开槽优化设计[J]. 李庭玉. 天然气技术与经济. 2017(05)
[7]热处理过程流场-温度场-组织场-应力场耦合模拟研究[J]. 张李强,王婧,骆晓萌,顾剑锋. 金属热处理. 2017(08)
[8]全淬透圆柱件淬火应力的有限元模拟及实验验证[J]. 刘玉,秦盛伟,左训伟,陈乃录,戎咏华. 金属学报. 2017(06)
[9]CNG加气站用储气设施的现状与对策[J]. 王晋. 中国石油和化工标准与质量. 2017(07)
[10]Numerical simulation on boiling heat transfer of evaporation cooling in a billet reheating furnace[J]. 冯明杰,王恩刚,王海,李艳东,刘兵. Journal of Central South University. 2016(06)
博士论文
[1]冷轧高强钢板带热处理过程板形变化规律研究[D]. 曹强.北京科技大学 2015
[2]CNG气瓶拉拔工艺研究[D]. 郝海滨.燕山大学 2014
[3]铝合金大型复杂构件热处理过程的多场耦合模型与变形预报[D]. 杨夏炜.哈尔滨工业大学 2013
[4]水-空交替控时淬火冷却设备的研究与应用[D]. 左训伟.上海交通大学 2010
[5]流场计算机模拟在热处理炉设计中的应用[D]. 王婧.上海交通大学 2008
[6]数值模拟技术在燃气轮机零部件锻造及热处理过程中的应用[D]. 吕成.大连理工大学 2007
硕士论文
[1]轴类锻件热处理工艺的数值模拟与试验验证[D]. 潘伟平.山东大学 2018
[2]锥齿轮淬火变形控制的数值模拟研究[D]. 侯兴隆.哈尔滨工程大学 2018
[3]站用气瓶淬火冷却均匀性模拟[D]. 徐钦冉.燕山大学 2017
[4]大直径无缝钢质气瓶用钢34CrMo4的热处理研究[D]. 张荣晓.河北工程大学 2016
[5]大直径厚壁压力气瓶淬火冷却过程流场与温度场模拟[D]. 朱国善.燕山大学 2014
[6]大直径厚壁压力气瓶淬火过程数值模拟[D]. 王莉莉.燕山大学 2014
[7]34CrMo4钢冲压气瓶的成形工艺优化[D]. 翟春海.重庆大学 2014
[8]42CrMo钢热处理过程数值模拟及换热系数的测定[D]. 许瑾.大连交通大学 2013
[9]轮毂旋压机加工力学参数的确定与关键部件设计及优化[D]. 刘彧.浙江大学 2012
[10]9SiCr常压气雾淬火过程的数值模拟与实验研究[D]. 丁冬芳.昆明理工大学 2011
本文编号：3093774
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