(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111503128.6 (22)申请日 2021.12.09 (71)申请人 常熟天地煤 机装备有限公司 地址 215000 江苏省苏州市 常熟市常福街 道嘉兴路18号 (72)发明人 袁岳东　张庆宇　张云平　沈鑫珺　 陈烜　张国群　王晓南　薛雨　 (74)专利代理 机构 苏州市中南伟业知识产权代 理事务所(普通 合伙) 32257 代理人 李柏柏 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G16C 10/00(2019.01) C23C 8/22(2006.01) G06F 119/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 采煤机齿轮渗碳过程模拟方法、 系统、 设备 及存储介质 (57)摘要 本发明涉及一种采煤机齿轮渗碳过程模拟 方法， 包括确定待模拟区域， 初始化待模拟区域 的模拟数据， 其中模拟数据包括元胞数量、 元胞 尺寸、 模拟温度、 晶粒数目、 晶粒取向、 碳浓度以 及扩散系数； 基于初始化后的模拟数据计算待模 拟区域的碳扩散过程， 以获得区域内的碳浓度分 布； 当待模拟区域的局部区域的碳浓度超过预设 的浓度阈值时， 计算碳化物的长大过程， 以模拟 碳化物析出规律； 根据碳化物析出规律， 设定有 碳化物存在的晶界迁移速度为0， 计算奥氏体晶 界迁移速度， 得到奥氏体固相分数变化量， 以模 拟奥氏体晶粒长大过程； 重复模拟步骤， 获得不 同时刻的模拟结果， 其中模拟结果包括碳扩散过 程、 碳化物析出规律以及奥氏体晶粒长大过程。 权利要求书3页 说明书10页 附图6页 CN 114417651 A 2022.04.29 CN 114417651 A 1.一种采煤 机齿轮渗 碳过程模拟方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1： 确定待模拟区域， 初始化所述待模拟区域的模拟数据， 其中所述模拟数据包括元胞 数量、 元胞尺寸、 模拟温度、 晶粒 数目、 晶粒 取向、 碳浓度以及扩散系数； S2： 基于所述初始化后的模拟数据计算待模拟区域的碳扩散过程， 以获得区域内的碳 浓度分布； S3： 当所述待模拟区域的局部区域的碳浓度超过预设的浓度阈值时， 计算碳化物的长 大过程， 以模拟碳 化物析出规律； S4： 根据碳化物析出规律， 设定有碳化物存在的晶界迁移速度为0， 计算奥氏体晶界迁 移速度， 得到奥氏体固相分数变化 量， 以模拟奥氏体晶粒长大 过程； S5： 重复S2‑S4， 获得不同时刻的模拟结果， 其中所述模拟结果包括碳扩散过程、 碳化物 析出规律以及奥氏体晶粒长大 过程。 2.根据权利要求1所述的采煤机齿轮渗碳过程模拟方法， 其特征在于， 在S1中， 所述待 模拟区域选自建立的元 胞自动机 ‑有限差分模型。 3.根据权利要求1所述的采煤机齿轮渗碳过程模拟方法， 其特征在于， 在S2中， 基于所 述初始化后的模拟数据计算待模拟区域的碳扩散过程， 包括： 采用有限差分方法求 解碳扩散方程， 所述 碳扩散方程 为 式中， D为与温度T和碳浓度u相 关的碳扩散系数， p是与碳化物相分数(φ)相关的转换方程， 转换方程p的形式为 式中， k为碳化物‑奥氏体关于碳浓度的分配系数； 计算所述碳扩 散方程中的扩 散系数， 其计算公式为 式中， R为理想气体常数。 4.根据权利要求1所述的采煤机齿轮渗碳过程模拟方法， 其特征在于： 在S3中， 计算碳 化物的长大 过程， 包括： 渗层中碳化物的析出长大由奥氏体 ‑碳化物相界移动控制， 计算奥氏体 ‑碳化物相界移 动速率公式为v＝MΔG， 式中ΔG为有效相变驱动力， M为界面迁移率， 且M＝M0exp(–Q/RT)， 式中M0为指前因子， Q 为激活能， T为温度(K)； 基于移动速率公式和界面迁移率公式得到界面移动速度 式中TM为纯铁熔点， Vm为奥氏体摩尔体积， 为计算出来的奥氏体对碳的最大 溶解度； 根据界面移动速度计算一个时间步长内碳化物的相分数增量为 式中G是 与相邻元 胞状态有关的形状调节因子， 其计算公式为 5.根据权利要求1所述的采煤机齿轮渗碳过程模拟方法， 其特征在于： 在S4中， 计算奥 氏体晶界迁移速度， 包括：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114417651 A 2渗碳过程中， 奥氏体晶粒长大由奥氏体晶界移动控制， 奥氏体晶界迁移速度为 式中γ是界面能， K为晶界曲率， D0为晶界自扩散系数， k为 玻尔兹曼常数， b为伯氏矢量长度。 6.一种采煤 机齿轮渗 碳过程模拟系统， 其特 征在于， 包括： 数据初始化模块， 确定待模拟区域， 所述数据初始化模块用于初始化所述待模拟区域 的模拟数据， 其中所述模拟数据包括元胞数量、 元胞尺寸、 模拟温度、 晶粒数目、 晶粒取向、 碳浓度以及扩散系数； 碳扩散过程模拟模块， 所述碳扩散过程模拟模块用于基于所述初始化后的模拟数据计 算待模拟区域的碳扩散过程， 以获得区域内的碳浓度分布； 碳化物析出模拟模块， 当所述待模拟区域的局部区域的碳浓度超过预设的浓度阈值 时， 所述碳化物析出模拟模块用于计算 碳化物的长大 过程， 以模拟碳 化物析出规律； 晶粒长大模拟模块， 所述晶粒长大模拟模块用于根据碳化物析出规律， 设定有碳化物 存在的晶界迁移速度为0， 计算奥氏体晶界迁移速度， 得到奥氏体固相分数变化量， 以模拟 奥氏体晶粒长大 过程。 7.根据权利要求6所述的采煤机齿轮渗碳过程模拟系统， 其特征在于， 所述碳扩散过程 模拟模块包括： 碳扩散计算子模块， 所述碳扩散计算子模块用于基于所述初始化后的模拟数据计算待 模拟区域的碳扩散过程， 包括： 采用有限差分方法求 解碳扩散方程， 所述 碳扩散方程 为 式中， D为与温度T和碳浓度u相 关的碳扩散系数， p是与碳化物相分数(φ)相关的转换方程， 转换方程p的形式为 式中， k为碳化物‑奥氏体关于碳浓度的分配系数； 计算所述碳扩散方程中的扩散系数， 其计算公式为 式中， R为理想气体常数。 8.根据权利要求6所述的采煤机齿轮渗碳过程模拟系统， 其特征在于， 所述碳化物析出 模拟模块包括： 碳化物长大过程计算子模块， 所述碳化物长大过程计算子模块用于计算碳化物的长大 过程， 包括： 渗层中碳化物的析出长大由奥氏体 ‑碳化物相界移动控制， 计算奥氏体 ‑碳化物相界移 动速率公式为v＝MΔG， 式中ΔG为有效相变驱动力， M为界面迁移率， 且M＝M0exp(–Q/RT)， 式中M0为指前因子， Q 为激活能， T为温度(K)； 基于移动速率公式和界面迁移率公式得到界面移动速度 式中TM为纯铁熔点， Vm为奥氏体摩尔体积， 为计算出来的奥氏体对碳的最大 溶解度；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114417651 A 3