材料熱力學參數(shù)測試裝置的結(jié)構(gòu)設計和穩(wěn)態(tài)熱分析

劉芬 劉紅武 劉淑慧 王康

摘要：為解決現(xiàn)有管式爐在高溫燒結(jié)時存在不能測量溫度和變形的問題，以現(xiàn)有管式爐為基礎，設計并改進一種用于測試高溫條件下材料熱力學參數(shù)的裝置。通過ANSYS Workbench對該測試裝置的管式爐結(jié)構(gòu)進行建模，采用實體單元對結(jié)構(gòu)進行模擬；對管式爐結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)態(tài)熱分析，并得到法蘭的溫度，評估配置冷卻系統(tǒng)的必要性；利用參數(shù)優(yōu)化方法，得到法蘭2右端溫度為40 ℃時冷卻系統(tǒng)需要具備的對流傳熱系數(shù)，為冷卻系統(tǒng)中模溫機的選型提供指導。

關鍵詞：管式爐；冷卻系統(tǒng)；測試裝置；對流傳熱系數(shù)；參數(shù)優(yōu)化；穩(wěn)態(tài)熱分析

中圖分類號：TK123；TB115.1

文獻標志碼：B

0 引 言

在一些高端制造行業(yè)，如精密鑄造行業(yè)、金屬粉末注射成型行業(yè)中，零部件的制造精度要求很高，但在實際生產(chǎn)中，燒結(jié)工序的溫度變化對零部件成型的最終精度影響非常大[1]，并在很大程度上決定零部件制造的周期和成本。因此，在零部件制造工藝研發(fā)過程中，有必要借助計算機數(shù)值模擬預測零部件在燒結(jié)工序中的變形。計算機數(shù)值模擬需要獲取零部件材料熱力學性能參數(shù)，包括材料在加熱和冷卻過程中各個溫度條件下對應的變形數(shù)值。

高溫條件下材料本構(gòu)熱力學參數(shù)是計算機數(shù)值模擬的重要輸入數(shù)據(jù)。根據(jù)燒結(jié)試驗測得與產(chǎn)品燒結(jié)本構(gòu)相關的參數(shù)，如加熱和冷卻過程中零件的收縮率δ（不同溫度下對應的變形數(shù)值），結(jié)合理論知識，將燒結(jié)本構(gòu)相關參數(shù)標定[2-4]為

然而，現(xiàn)有管式爐無法完成上述所需熱力學參數(shù)的測試，其爐管內(nèi)部試件無法放置和定位，試驗可重復性差。爐管內(nèi)的溫度較高，難以實現(xiàn)對爐管內(nèi)的試件變形進行實時測量和監(jiān)控。測溫元件一般位于管式爐的爐管外側(cè)，難于得到零部件試樣本身及周邊溫度的精確值?，F(xiàn)有測溫元件均基于熱電偶原理，僅能測試若干接觸點的溫度，得不到整個試樣的溫度分布?；诖?，本文設計一種對試件溫度和變形實時測量和監(jiān)測的熱力學參數(shù)測試裝置，以得到滿足計算機數(shù)值模擬所需的試驗參數(shù)。運用有限元仿真得到冷卻系統(tǒng)所需的對流傳熱系數(shù)和流量，對模溫機型號的合適選取提供指導。

1 結(jié)構(gòu)設計和工作原理

新型材料熱力學參數(shù)測試裝置及爐管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意見圖1。該測試裝置包括爐膛、爐管、爐管內(nèi)置測溫元件、試件夾具、冷卻系統(tǒng)、法蘭、法蘭封口（透明）、測溫儀器、溫度控制系統(tǒng)、攝像儀和抽真空系統(tǒng)等。

爐管的材質(zhì)為氧化鋁99瓷，內(nèi)部帶有可以安裝和定位試件夾具的滑槽，該滑槽可以精確固定試件，減小試驗誤差。爐管內(nèi)的試件夾具用于支撐試件，可以調(diào)節(jié)試件的放置角度，并且?guī)в锌潭?，可作為外部設備進行變形測量的參考基準。爐管內(nèi)置測溫元件，可測量爐管內(nèi)試件的溫度，

調(diào)節(jié)測溫元件的位置，以便精確測量試件上某點的溫度。爐管兩側(cè)的法蘭封口采用透明的石英玻璃，在法蘭右側(cè)放置測量和監(jiān)測試件變形的儀器（攝像儀），可以測量整個試件隨溫度的變形過程，在法蘭左側(cè)放置測量整個試件溫度的測溫儀。冷卻系統(tǒng)的作用是降低法蘭及其周邊的溫度，防止法蘭和周邊測量設備在超高溫時發(fā)生損壞。溫度控制系統(tǒng)控制爐膛內(nèi)溫度。在抽真空系統(tǒng)完成抽真空操作后，往爐管填充惰性氣體保護試件，使其在燒結(jié)過程中不發(fā)生化學反應。

試件安裝到試件夾具上，通過爐管的滑槽，將試件和夾具放入爐管內(nèi)，調(diào)整夾具位置并固定；將冷卻系統(tǒng)與爐管連接；將法蘭（內(nèi)含透明的法蘭封口）與爐管連接，在法蘭右側(cè)放置攝像儀，左側(cè)放置測溫儀（紅外熱像儀）；打開抽真空系統(tǒng)將惰性氣體充入爐管內(nèi)；通過溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)到所需溫度后啟動冷卻系統(tǒng)。爐膛開始升溫，試件隨著溫度升高開始變形，測溫元件實時記錄試件某點的溫度，測溫儀實時記錄整個試件的溫度，外部攝像儀通過參照試件夾具上的刻度，精確記錄試件的變形過程。該材料熱力學參數(shù)測試裝置可精確測量試件在各溫度場下的變形。

2 法蘭熱分析及對流傳熱系數(shù)計算

選取材料熱力學參數(shù)測試裝置中的管式爐結(jié)構(gòu)作為研究對象，采用ANSYS Workbench進行穩(wěn)態(tài)熱分析[5]，包含以下2種情況：當管式爐結(jié)構(gòu)未設置冷卻系統(tǒng)時，在空氣中進行管式爐結(jié)構(gòu)的溫度場分析；當管式爐結(jié)構(gòu)已設置冷卻系統(tǒng)時，在空氣和冷卻系統(tǒng)中進行管式爐結(jié)構(gòu)的溫度場分析。對比分析冷卻系統(tǒng)對法蘭溫度的影響，根據(jù)法蘭和周邊設備對環(huán)境溫度的需求，得到冷卻系統(tǒng)的對流傳熱系數(shù)，并計算相應的流量，對用作冷卻系統(tǒng)的模溫機型號的合適選取進行指導。

2.1 有限元模型建立

管式爐結(jié)構(gòu)的幾何模型見圖3，包含爐管、法蘭1、法蘭2、法蘭1封口和法蘭2封口。冷卻系統(tǒng)采用水冷，該有限元模型未考慮冷卻系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)，設置為對流傳熱邊界條件，其中包括對流傳熱系數(shù)和水的溫度。管式爐結(jié)構(gòu)的有限元模型見圖4。

2.2 材料參數(shù)

爐管材質(zhì)為氧化鋁99瓷，法蘭材質(zhì)為鋁合金 AL7075，法蘭封口為石英玻璃，其穩(wěn)態(tài)熱分析涉及的材料參數(shù)見表1。

2.3 邊界條件

對管式爐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)熱分析分為2種情況：不設置冷卻系統(tǒng)和設置冷卻系統(tǒng)。分別對兩者的邊界條件進行說明。

邊界區(qū)域和未設置冷卻系統(tǒng)時的邊界條件分別見圖5和6。當管式爐結(jié)構(gòu)未設置冷卻系統(tǒng)時，藍色區(qū)域為爐膛區(qū)，紫色區(qū)域為爐管中心初始溫度區(qū)，橙色區(qū)域為恒溫區(qū)，溫度為1 300 ℃，綠色區(qū)域為空氣自然對流區(qū)，其空氣自然對流傳熱系數(shù)為5.00 W/（m2·℃），空氣溫度取室溫32 ℃。當管式爐結(jié)構(gòu)設置冷卻系統(tǒng)時，爐管中心初始溫度與未設置冷卻系統(tǒng)時相同，黃色區(qū)域為空氣熱對流區(qū)，其空氣自然對流傳熱系數(shù)和空氣溫度與未設置冷卻系統(tǒng)時相同，紅色區(qū)域為冷卻系統(tǒng)熱對流區(qū)，水溫取室溫32 ℃。采用參數(shù)優(yōu)化方法，將對流傳熱系數(shù)設置為設計變量，給予一定的搜索范圍；法蘭2右端溫度作為目標函數(shù)，設置為40 ℃（攝像機放置處最高工作溫度為50 ℃）。

2.4 有限元數(shù)值分析

當管式爐結(jié)構(gòu)未設置冷卻系統(tǒng)時，管式爐結(jié)構(gòu)整體的溫度場分布見圖7a），法蘭的溫度場分布見圖8a），此時法蘭2右端溫度約為232 ℃；當管式爐結(jié)構(gòu)設置冷卻系統(tǒng)時，管式爐結(jié)構(gòu)中整體的溫度場分布見圖7b），法蘭的溫度場分布見圖8b），此時法蘭2右端溫度約為40 ℃，冷卻系統(tǒng)的對流傳熱系數(shù)為98.42 W/（m2·℃），對應區(qū)域見圖9。

數(shù)值分析結(jié)果表明，未設置冷卻系統(tǒng)時管式爐結(jié)構(gòu)的法蘭溫度接近232 ℃，此時，為確保攝像機等設備能正常工作，應增加冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)所需具備的對流傳熱系數(shù)須大于98.42 W/（m2·℃），此時對應的水流量為5.54 L/min[6]，可根據(jù)此流量選取相應的模溫機型號。

3 結(jié)束語

本文提出一種熱力學參數(shù)測試裝置的機械結(jié)構(gòu)設計，在現(xiàn)有管式爐結(jié)構(gòu)的基礎上，優(yōu)化爐管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改造爐管端部結(jié)構(gòu)，并新增測量溫度和變形的設備，實現(xiàn)試件高溫變形的實時測量和監(jiān)控。另外，新增法蘭冷卻系統(tǒng)，保證新增設備的正常工作。

采用ANSYS Workbench對管式爐結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)態(tài)熱分析，對比分析有無冷卻系統(tǒng)對法蘭溫度的影響，驗證冷卻系統(tǒng)的必要性。根據(jù)法蘭及周邊設備對溫度環(huán)境的需要，得到冷卻系統(tǒng)的對流傳熱系數(shù)及相應的流量，研究結(jié)果對冷卻系統(tǒng)選取合適的模溫機型號有重要的指導意義。

參考文獻：

[1] 豆亞坤. 316L不銹鋼金屬注射成形工藝及性能研究[D]. 合肥： 合肥工業(yè)大學， 2016.

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[3] 宋久鵬， THIERRY B， 柳葆生， 等. MIM零件燒結(jié)過程中收縮和變形的數(shù)值模擬[J]. 機械科學與技術， 2007， 26（8）： 1045-1049. DOI： 10.3321/j.issn：1003-8728.2007.08.021.

[4] 宋久鵬， BARRIERE T， 柳葆生， 等. 金屬注射成形燒結(jié)工藝的試驗與數(shù)值模擬[J]. 機械工程學報， 2008， 44（8）： 157-163. DOI： 10.3321/j.issn：0577-6686.2008.08.028.

[5] 浦廣益. ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解[M]. 北京：中國水利水電出版社， 2010： 91-93.

[6] 楊世銘， 陶文銓. 傳熱學[M]. 4版. 北京： 高等教育出版社， 2006： 257-258.

（編輯 付宇靚）