大型鋁合金環(huán)件淬火槽的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計

張文良，陳潤哲，李賢君，羅 平，宋金升

(北京機(jī)電研究所有限公司，北京 100083)

2219鋁合金是一種Al-Cu-Mn系可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，以高強(qiáng)耐熱、耐應(yīng)力腐蝕等優(yōu)點而被廣泛用于運(yùn)載火箭輕質(zhì)回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)件的制造[1-2]。為滿足目前航天回轉(zhuǎn)體構(gòu)件輕量化與大型化的制造需求，大型鋁合金環(huán)件(大于5 m)將被廣泛用于我國航空航天工業(yè)[3-4]，因此需要對“運(yùn)載火箭大型特種成套制造裝備及工藝”展開相關(guān)研究，其中大型鋁合金環(huán)件的淬火是其中關(guān)鍵技術(shù)之一，該大型鋁合金環(huán)件熱處理過程可使用固溶(淬火)+時效處理工序進(jìn)行[5]。在淬火冷卻過程中，需要對淬火槽內(nèi)的淬火介質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)攪拌，一是可以加快工件的冷卻速度，避免第二相析出；二是可以消除工件表面的蒸汽膜，促進(jìn)工件與冷卻介質(zhì)的快速熱交換，避免出現(xiàn)軟點；最后，還可以在淬火槽中形成一個流場與溫度場相對均勻的環(huán)境，降低大型工件各部位之間的冷速差，從而減小工件的變形[6-8]。由此可見，循環(huán)攪拌系統(tǒng)是淬火槽設(shè)計的一個重點工作。陳乃錄等[9]利用數(shù)值模擬法得到了淬火槽流場，并通過改進(jìn)均流片的設(shè)置方式對流場分布進(jìn)行優(yōu)化，并提出了“最佳淬火區(qū)”的概念，發(fā)現(xiàn)了“最佳淬火區(qū)”與均流系統(tǒng)的設(shè)置有關(guān)；王飛等[10]研究了不同均流裝置與入口速度等條件對帶閉式攪拌裝置的浸液式淬火槽的流場分布規(guī)律的影響；夏永輝等[7]利用FLUENT軟件，通過繪制淬火槽某位置的流速變化圖的方式對不同均流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的淬火槽流場進(jìn)行了模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，利用數(shù)值模擬對淬火過程的介質(zhì)流場進(jìn)行仿真，可以為淬火槽循環(huán)攪拌系統(tǒng)的設(shè)計提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。

本文利用數(shù)值模擬方法，對某火箭環(huán)形件淬火槽流場進(jìn)行模擬分析，進(jìn)一步對導(dǎo)向均流結(jié)構(gòu)與導(dǎo)流筒的布置進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計，并根據(jù)模擬結(jié)果選取較佳方案。

1 模型與前處理

圖1為本文研究的鋁合金環(huán)件的三維模型，直徑約5 m，高度約1.5 m，材質(zhì)為2219鋁合金。該環(huán)形件選用圓形淬火槽，淬火槽外設(shè)有多套導(dǎo)流筒以提高淬火介質(zhì)的循環(huán)攪拌能力。初始設(shè)計的淬火槽三維模型如圖2所示，槽內(nèi)徑約7.5 m，深5 m，淬火槽外側(cè)設(shè)有10個導(dǎo)流筒，槽內(nèi)無導(dǎo)向均流結(jié)構(gòu)。淬火槽循環(huán)示意圖如圖3所示：淬火介質(zhì)由槽底向上流動，然后從淬火槽上部孔進(jìn)入導(dǎo)流筒，并在攪拌器與重力的共同作用下從淬火槽底部孔重新進(jìn)入淬火槽，形成循環(huán)。

圖1 鋁合金環(huán)件模型Fig.1 Aluminum ring model

圖2 淬火槽三維模型 Fig.2 3D model of quenching tank

圖3 淬火槽循環(huán)示意圖Fig.3 Cycle Schematic of the quenching tank

本文采用流體有限元數(shù)值模擬軟件對該淬火槽流場進(jìn)行模擬分析。首先對該淬火槽進(jìn)行建模，建模與模擬時做以下假設(shè)[7]：

1)各導(dǎo)流筒和導(dǎo)流結(jié)構(gòu)作用相互獨(dú)立；

2)導(dǎo)流筒內(nèi)螺旋槳推動淬火介質(zhì)流動時不考慮旋轉(zhuǎn)推動力；

3)淬火介質(zhì)為水，模擬時假定水為不可壓流體，水的密度、粘度等參數(shù)恒定不變。

綜上，由于淬火槽呈對稱分布，初始設(shè)計導(dǎo)流筒是10個，所以對整個淬槽圓周方向的1/10進(jìn)行建模，物理模型如圖4所示。

圖4 淬火槽物理模型Fig.4 Physical model of the quenching tank

采用三維模擬計算，將導(dǎo)流筒的攪拌器簡化為速度入口與壓力出口，在前期研究和工程經(jīng)驗基礎(chǔ)上入口速度取0.56 m/s，淬火槽壁采用壁面邊界條件，對稱面采用對稱邊界條件。淬火介質(zhì)流動過程用連續(xù)性方程和動量方程來描述；流動狀態(tài)選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，使用高精度的二階迎風(fēng)格式的SIMPLE算法對以上方程進(jìn)行求解。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 初始方案淬火槽流場模擬分析

選取兩個典型平面作為觀察面，平面1為模型的徑向切面，平面2平行于淬火槽底面且通過鋁合金環(huán)件中心，并在內(nèi)外側(cè)附近的淬火介質(zhì)各設(shè)置60個觀察點來監(jiān)測流場大小。圖5為初始設(shè)計方案平面1與平面2的速度云圖,從圖中可以看出，水流經(jīng)攪拌器從導(dǎo)流筒出來以較高的流速進(jìn)入淬火槽體，并且直接向淬火槽中間沖去，此時淬火介質(zhì)在淬火槽內(nèi)形成較大渦流(見圖5(a)虛線框區(qū)域1)，高流速區(qū)基本集中在淬火槽底部與中部，流速可達(dá)到0.5 m/s，而鋁合金環(huán)件所在的有效淬火區(qū)在渦流中心，流速較低。

圖6為鋁合金環(huán)件內(nèi)外側(cè)淬火介質(zhì)沿高度方向的流速曲線，其中橫坐標(biāo)為淬火介質(zhì)高度方向坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為該位置三個觀察點的平均流速作為該高度的介質(zhì)流速，流場觀察點示意圖見圖7。從圖6可以看出，鋁合金環(huán)件底部外側(cè)介質(zhì)流速約為0.08 m/s，然后隨著高度升高緩慢下降，在約2.1 m位置降至0.005 m/s后快速升高；鋁合金環(huán)件內(nèi)側(cè)流速基本在0.002～0.02 m/s之間。由此可知，初始方案有效淬火冷卻區(qū)介質(zhì)流速非常小。

圖6 初始設(shè)計鋁合金環(huán)件內(nèi)外側(cè)介質(zhì)流速曲線Fig.6 Flow velocity curve of the inside-outside quenching medium of the original aluminum ring

圖7 流場觀察點示意圖Fig.7 Schematic diagram of flow field observation points

2.2 優(yōu)化方案與模擬結(jié)果分析

初始方案模擬結(jié)果表明，僅采用導(dǎo)流筒進(jìn)行攪拌，無法使有效淬火區(qū)形成激烈均勻的攪拌。為優(yōu)化有效淬火區(qū)介質(zhì)流場，在初始方案的基礎(chǔ)上增加導(dǎo)向均流結(jié)構(gòu)將介質(zhì)引導(dǎo)到有效淬火區(qū)。因此設(shè)計了兩種優(yōu)化方案，方案1結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)為筒形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，在向淬火區(qū)釋放介質(zhì)的出口處為45°的切口，同時設(shè)有三個平滑過渡的均流片。方案2結(jié)構(gòu)如圖8(b)所示，導(dǎo)向均流結(jié)構(gòu)為方盒形狀并配有均流片。

(a)方案1；(b)方案2圖8 導(dǎo)向均流結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案(a) optimization scheme 1；(b) optimization scheme 2Fig.8 Optimization scheme of diversion structure

(a)平面1；(b) 平面2圖9 方案1速度云圖(a)plane 1； (b)plane 2Fig.9 Velocity cloud picture of optimization scheme 1

圖10 方案1工件內(nèi)外側(cè)流速曲線Fig.10 Flow velocity curve of the quenching medium inside and outside the workpiece of scheme 1

方案1模擬結(jié)果如圖9和圖10所示，由圖9可以看出，相比于初始設(shè)計，在導(dǎo)向均流結(jié)構(gòu)的作用下，高流速區(qū)由初始方案集中在淬火槽中部向有效淬火區(qū)附近轉(zhuǎn)移，結(jié)合流速曲線(見圖10)，發(fā)現(xiàn)鋁合金環(huán)件外側(cè)流速由初始方案的小于0.08 m/s增加到了0.1～0.25 m/s區(qū)間，但是內(nèi)側(cè)淬火介質(zhì)流速集中在0.02 m/s左右，仍然較低。高速水流基本上沿45°流動(見圖9(a))，鋁合金環(huán)件外側(cè)介質(zhì)流場可以形成紊流，而內(nèi)側(cè)形則成了一個低流速的淬火盲區(qū)，從而導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)流速差較大，加大了鋁合金環(huán)件內(nèi)外側(cè)的冷速差，從而造成淬火變形。

方案2的模擬結(jié)果見圖11和圖12所示。與初始方案相比，方案2的有效淬火區(qū)流速明顯提高；與方案1相比，鋁合金環(huán)件內(nèi)側(cè)平均流速由0.02 m/s升至約0.08 m/s，內(nèi)外側(cè)流速差均值明顯降低。從圖11(a)可以看出，方案2水流方向基本沿著垂直于淬火槽底面向上，介質(zhì)流場可以在鋁合金環(huán)件內(nèi)外側(cè)形成紊流，從而整體提高淬火槽的淬火強(qiáng)度與均勻性。綜上分析，選擇方案2作為導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的最終設(shè)計方案。

(a)平面1； (b) 平面2圖11 方案2速度云圖(a)plane 1； (b)plane 2Fig.9 Velocity cloud picture of optimization scheme 2

圖12 方案2工件內(nèi)外側(cè)流速曲線Fig.12 Flow velocity curve of the quenching medium inside and outside the workpiece of scheme 2

2.3 導(dǎo)流筒布置方案模擬分析

根據(jù)上述，在方案2導(dǎo)流結(jié)構(gòu)作用下，有效淬火區(qū)流場均勻性得到提高。但是整體來看，有效淬火區(qū)流速大部分集中在0.03～0.15 m/s之間，淬火介質(zhì)流速偏低。為提高淬火槽整體流速，下面對導(dǎo)流筒的布置方式進(jìn)行模擬分析。

原始設(shè)計方案中導(dǎo)流筒數(shù)量為10個，優(yōu)化方案將導(dǎo)流筒增加至12個、14個，然后分別對淬火槽流場進(jìn)行模擬分析。圖13為增加導(dǎo)流筒后平面2 的流場云圖，可以看出，槽內(nèi)流速相比于10個導(dǎo)流筒有所提高。圖14為改變導(dǎo)流筒數(shù)量后工件內(nèi)外側(cè)介質(zhì)流速曲線，可以看出，當(dāng)導(dǎo)流筒數(shù)量為12個時，已滿足使用要求。鋁合金環(huán)件外側(cè)平均流速由10個導(dǎo)流筒的0.13 m/s提升至0.22 m/s，內(nèi)側(cè)流速由0.08 m/s提升至0.14 m/s；當(dāng)導(dǎo)流筒數(shù)量為14個時，鋁合金環(huán)件外側(cè)流速約為0.22 m/s，內(nèi)側(cè)流速約為0.18 m/s，與12個導(dǎo)流筒相比有所提升但并不明顯。綜合流場模擬結(jié)果與經(jīng)濟(jì)因素考慮，選用12個導(dǎo)流筒的排布方式為最終導(dǎo)流筒的布置方式。

(a)導(dǎo)流筒為12個；(b) 導(dǎo)流筒為14個圖13 導(dǎo)流筒不同布置方案平面2流場云圖 (a) 12 deflectors；(b) 14 deflectorsFig.13 Velocity cloud picture of scheme 2 with different arrangements of deflectors

(a)導(dǎo)流筒為12個；(b)導(dǎo)流筒為14個圖14 導(dǎo)流筒不同布置方案工件流速曲線(a)12 deflectors； (b) 14 deflectorsFig.14 Flow velocity curve of the quenching medium with different arrangements of deflectors

3 結(jié)論

本文利用有限元數(shù)值模擬軟件對淬火槽進(jìn)行了三維建模并對其循環(huán)攪拌系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析，得到了淬火槽的流場，并在此基礎(chǔ)上對導(dǎo)流結(jié)構(gòu)與導(dǎo)流筒數(shù)量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)改變淬火槽導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，有效淬火區(qū)的流場均勻性會產(chǎn)生影響。采用方盒形狀并配有均流片的結(jié)構(gòu)時，工件內(nèi)外側(cè)均可以獲得流速較高且均勻的流場。

2)增加導(dǎo)流筒數(shù)量，可以提升有效淬火區(qū)的流速。模擬比對結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)攪拌器數(shù)量為12個時，淬火槽流場可滿足設(shè)計要求。結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素考慮，本文選擇12個導(dǎo)流筒的排布方式為最終導(dǎo)流筒的布置方式。