基于改进集中热容法的TC17钛合金淬火表面换热系数测算

表面换热系数是TC17钛合金淬火数值分析研究的重要边界条件,其准确性影响工件淬火温度与应力场的分布精度。基于深埋热电偶动态实测的温降曲线,采用改进后的集中热容法,计算求解TC17钛合金淬火表面换热系数,并通过数值模拟验证了结果的可靠性。结果表明,TC17钛合金水浴淬火过程中会经历3个主要阶段:蒸汽膜阶段、核沸腾阶段及对流冷却阶段。表面换热系数在蒸汽膜阶段、核沸腾阶段会快速增大,随后在对流冷却阶段会逐渐减小,在第50 s达到峰值1299 W/(m^(2)·℃),此时淬火面温度为355℃。将换热系数代入数值模型中进行温度场计算验证,计算结果与实测温降曲线吻合较好,平均相对误差仅为1.4%。

基于改进集中热容法的Mg-Gd-Y-Zr-Ag变形镁合金表面换热系数求解方法

表面换热系数作为淬火数值模拟过程的重要边界条件,其求解精度直接影响温度场、热应力场的演变规律。实验通过设计矩形淬火探头并进行单面水浴淬火,根据热电偶记录的温降数据,采用改进的集中热容法对Mg-Gd-Y-Zr-Ag变形镁合金进行表面换热系数的求解。研究结果表明:表面换热系数呈现先增大后减小的趋势且水浴淬火过程存在蒸汽膜沸腾阶段、二次形核阶段以及对流换热阶段3个阶段,在第27秒时表面换热系数达到峰值2496.31 W/(m^(2)·℃),此时淬火面温度为211℃。用此方法计算得到的随温度变化的换热系数以列表的形式代入Abaqus有限元模型的相互作用模块,同一深度处仿真温度与实测温度最大相对误差为15%,平均相对误差仅为6%;采用K-S双样本分布检验对仿真与实验的温度曲线进行分布检验,在合适的显著性水平下4个样本的统计量均不在拒绝域内,验证了改进的集中热容法用来求解水浴淬火过程中表面换热系数的正确性。

两股流板翅式换热器动态性能研究的集中热容模型

从集中热容模型出发,导出了两股流板翅式换热器流体出口温度对冷流体进口温度(或流量)扰动的传递函数,实验结果证实了其正确性。详细的分析表明,传递函数适用的线性区域,不受温度变化限制,对流量变化要求为Δm/m<30％。两者叠加以后,线性区域限于两者的变化量均在20％之内。

评价淬火介质换热特性的Grossmann法与集中热容法的比较

研究了用于估算纳米流体、盐水溶液和某洗涤剂基试验介质淬火烈度的Grossmann法和集中热容(LHC)法的适用性,评价了探头截面厚度对不同淬火介质换热系数的影响。借助于计算机分析了304不锈钢探头在淬火过程中的冷却曲线,并分别采用Grossmann法和LHC法对所测得的冷却曲线进行了换热系数的估算。研究表明,采用10 mm不锈钢探头的LHC法适用于淬火烈度小于20 m-1介质的表征。虽然Grossmann法是基于平均换热系数这一假设的,但仍能应用于具有不同淬火烈度介质之间的评定。Grossmann法能更敏感地反映探头截面厚度对换热的影响。

不同冷却方式下换热系数的测量与计算

为了研究不同冷却方式下的换热系数,设计了一套可以测量空冷、水淬以及不同压力下喷气淬火下冷却曲线的试验装置,试验中测量的探头采用120mm×120mm×20mm奥氏体不锈钢方板。该探头经有限元(FEM)计算验证了其一维传热特性后,用来测量上述几种冷却方式下的冷却曲线,并用反传热法(IHCM)和集中热容法(LHCM)进行换热系数的计算与分析,比较了不同压力下喷气淬火的换热系数。实验结果表明,当毕欧数Bi<0.1时集中热容法是适用的,反之则不适用;在喷气淬火时,压力越大,表面换热系数也越大。

基于有限元法的熔模铸造过程温度场模拟软件自主开发

针对熔模铸造中型壳的随形特点,提出了一种处理不规则铸型边界的方法,并以瞬态傅里叶导热微分方程为基础,自主开发了基于有限元法(FEM)的熔模铸造温度场数值模拟软件,并阐述了潜热以及集中热容的处理等关键技术。通过一个复杂熔模缸体铸件铸造过程温度场的模拟计算,并与Pro CAST的模拟结果进行了对比,发现二者模拟结果基本相近,凝固过程温度场的最大相对误差为1.113%,验证了所开发的温度场程序的正确性和可靠性。

淬冷过程三维温度场有限元模拟数值振荡问题的研究

用作者编写的三维有限元程序对淬冷过程温度场进行了模拟计算,并与解析解(分离变量法)进行了比较。为了解决数值振荡问题,采用了局部网格细化、动态时间步长和集中热容矩阵等方法。通过模拟结果与解析解的比较可以看出,在时间步长选择合适的情况下,集中热容矩阵能够很好地解决数值振荡问题;如果不进行集中热容矩阵,无论是细化网格还是减小时间步长,其解决数值振荡问题的效果都不好。

有限元法求解瞬态温度场时的数值振荡研究

针对有限元求解瞬态温度场时解的振荡问题,通过对热传导矩阵和热容矩阵的分析,研究了数值仿真中解的振荡原因以及消除振荡的方法.研究结果表明,热传导矩阵违反了热力学第二定律,以及在迭代初期协调热容矩阵的单元内温度变化率的连续性假设与实际偏差很大是产生数值振荡的原因.规范单元形状和采用适当的集中热容矩阵,可以有效消除数值振荡.同时,以无限大平板传热过程为背景,通过不同计算方法的对比,验证分析了结论.

金属成形过程的无网格热力耦合分析

在中高温条件下的塑性成形过程模拟中,考虑温度对材料性质的影响非常重要.基于刚粘塑性材料假设,提出了金属成形过程的无网格热力耦合分析方法,推导给出了无网格方法应用于金属成形过程热力耦合分析的理论公式及相应的模拟分析步骤,采用集中热容方法解决了在瞬态温度场分析中的温度常震荡的问题,并编写了相应的分析程序.应用建立的方法对典型塑性成形过程进行了无网格方法分析,并与有限元方法分析结果进行了比较,验证了本文所建立方法的可行性.

GW103K镁合金热处理过程表面换热系数求解与验证

镁合金件的温度场、应力场等只有获得正确的表面换热系数h,才能得到准确的模拟结果。实验测定了镁合金方形试样在固溶热处理升温和降温过程中的温度变化,采用集中热容法(LHCM)计算得到了试样热处理过程中的表面换热系数。结果表明:镁合金件在固溶热处理升温过程中,表面换热系数在150℃左右达到最大值,50.15 W/(m^(2)·℃),随后表面换热系数逐渐趋于稳定。降温过程中,表面换热系数在换热的初始阶段达到最大值,33.92 W/(m^(2)·℃),之后随温度的降低逐渐减小。以求解得到的换热系数作为边界条件,采用ABAQUS有限元软件建立镁合金试样固溶热处理模型,计算试样的温度变化,计算结果和实测数据最大温差为6.39℃,验证了所求表面换热系数的准确性。

有限元数值模拟中温度振荡

通过理论分析和简单算例,研究温度场数值模拟中出现温度振荡的原因,即有限元计算中假设温度导数连续与不保证温度导数连续的矛盾;假设均温的初始条件与热交换边界条件的矛盾。通过数值模拟算例,讨论了选择合理初始温度场设置,使用集中热容矩阵两种方法对消除温度数值振荡的效果及误差来源。