开卷机是轧钢生产线上的关键设备之一, 棱锥轴又是其关键部件。开卷机的轴为非易损更换件，出现断裂的情况不仅造成比较大的直接经济损失 , 而且对生产的正常进行也有很大的影响^[1]。棱锥轴由轴承档、短齿（传动）、锥面堆焊区（实现扇形板胀缩）三部分组成，由于没有中间零件，棱锥轴直径大，强度高，可承受较大的张力（通常可达400～ 600kN），常用于多辊可逆式冷轧机的大张力卷取和冷连轧机组的卷取机^[2]。对棱锥轴的失效分析即是从化学成分、断口 、显微组织和性能等方面 ,对该轴产生断裂的原因进行分析, 并提出改进的意见 ,供相关生产厂家参考^[1]。

对棱锥轴的失效进行分析，若仅采用实验的方法，成本与人力消耗很大，而当今日趋成熟的有限元分析技术给失效分析提供了新的思路。数值模拟是指利用 电子计算机，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示来解决工程和物理问题的一种方法。有限元分析法在许多软件中都有应用，在各个领域都有极为广泛的研究，经查阅资料，有以下典例：

马福，王志伟，葛林林等学者借助 ABAQUS 有限元分析软件，对跨高比为 1.0 的普通连梁、半通缝双连梁及半通缝三连梁进行受力性能对比分析，得出半通缝三连梁是一种性能较优的连梁，值得设计人员考虑采用的研究结论^[3]。胡风，王志海等学者以汽车搬运车的骨架为研究对象，采用大型有限元仿真分析软件HyperMesh建立有限元仿真模型，完成结构的自重分析，负载分析，以及负载条件下的加速度分析^[4]。杨艳萍；江明星；冯创友；黄盼等学者对货车转向架构架用 Hypermesh 软件进行网格划分，参照 TB/T1335-1996 标准，利用 Ansys 软件对其静强度和疲劳强度进 行分析，通过对计算结果的分析对构架结构做出优化，从而使构架满足了标准的要求^[5]。荆萌,刘凯等学者文以太阳能电池片串焊机中的核心部件焊带夹机构为对象，利用 SOLIDWORKS 三维建模软件建 立了焊带夹机构的三维模型，对其进行了受力分析，并以 ANSYS Workbench 软件作为分析手段对其进行了 静力学分析，验证了焊带夹机构的设计是合理可行的^[6]。除了中国学者，外国学者也对此有所研究，如Venkadesh Raman , MonssefDrissi-Habti , Laurent Guillaumat , Aghihad Khadhour 等人用数值模拟分析方法识别风力涡轮叶片的薄弱区域及加固措施，为风力机叶片设计人员提供良好的参考，提高设计阶段的精度，避免故障的发生^[7]。

有限元分析的功能不仅包括受力的模拟分析，还包括温度场等各种情况下的仿真分析。对棱锥轴淬火冷却过程中的失效分析，不仅包括力场条件下的仿真，还包括温度场条件下的仿真。许多学者对在一定温度场下的数值模拟也做出了相关研究。

张桂林，肖伟强学者结合目前应用较广泛的钢铝复合接触轨，基于有限单元法，采用三维软件 SOLIDWORKS 建模， 并在有限元软件 Ansys Workbench 中对接触轨模型的温度应力进行了模拟分析。研究结果可为接触轨系统中各构件的设计、优化、安装及检修提供参考^[8]。李聪，武文斌，林冬华，黄奇鹏，孟乐等学者以布勒 MDDK1000/250 型1M 磨粉机直径 250 mm、长 1 000mm 喷砂辊快辊 为研究对象，基于 ANSYS Workbench 对磨辊瞬态 温度场进行分析，探讨辊式磨粉机磨辊温升的变化机理，对降低温升预测辊体温度分布提高制粉质量显得尤其重要^[9]。

在利用有限元分析软件得出仿真结果以后，更重要的是利用模拟结果，结合零件失效的有关原理进行分析，因此掌握零件失效分析方法也十分必要。国外的一些学者在这个问题上做出了研究，例如Robert Grega等学者通过试验研究，找出了汽车车身传动轴的失效原因^[10]；Stanislav Honus等学者对某输送带与材料落地部位有关的故障进行了分析。研究了传送带承载量对冲击部位带式压缩应力的影响，失效分析考虑了材料撞击位置上的两种不同的当量数^[11]。

由此可见，有限元分析的方法应用领域众多，可选用软件多种多样，适用情形也十分广泛。为更加针对本选题的情况，在开始研究之前，经查阅相关文献，整理了不同零件在淬火冷却中的有限元分析的研究情况。王占军，张笑宇，李贤君，巫小林，谷磊等学者利用弹塑性有限元法数值模拟的基本原理，研究了铲刃板在冷却过程中的数值模拟与变形。以对流换热边界条件为基础，对不同冷却模式下铲刃板进行三维建模，对冷却过程中的温度和变形量进行数值模拟，对得到的 温度时间曲线和各方向上的变形量进行对比分析。分析结果为该类工件的压力淬火工艺制定及淬火冷却设 备的设计提供了理论基础^[12]；孔德武，吕 昆，黄群峰，唐 正者 建 立了42CrMo钢齿轮模型，模拟了在分级淬火过程中轮 齿的组织分布，并进行了试验验证^[13]; 杜东旭，任利国，赵德利，李家驹等学者使用有限元模拟软件对 300 mm 壁厚锻件冷却过程进行数值模拟。通过与实测冷却速率对比，优化了数值模拟精度^[14]；徐钦冉学者应用流体仿真软件Fluent对淬火冷却过程中气瓶内部的流场和瓶体的温度场进行了数值模拟通过对停喷工艺的温度场与最优模型进行冷却均匀^[15]。

通过文献资料可以发现，有限元分析软件已经大规模的普及于机械工程领域的各个角落，学者们的研究也日趋成熟。而各种各样的有限元分析软件也层出不穷，在研究时应根据研究的具体情况选择合适的有限元分析软件。有限元分析软件应用如此广泛，在于通过试验来研究热处理工艺对钢组织和性能的影响会消耗大量的人力和物力，且无法得到详细的物相转变信息，同时可避免同时避免由于生产认识的局限而造成的设计风险^[12]。因此利用数值模拟方法进行分析有着节约成本，切合绿色可发展战略的重要意义。

2. 研究的基本内容与方案

1 基本内容

（1）文献调研，了解国内外相关研究概况和发展趋势，了解选题与社会、健康、安全、成本以及环境等因素的关系；完成开题报告。