[發明專利]基于有限元法的三維傳熱條件下的鋁合金構件淬火過程換熱系數的獲得方法

有效

• 申請號: 201510570909.5
• 申請日: 2015-09-09
• 公開（公告）號: CN105046030B
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發明（設計）人: 姜建堂;董亞波;邵文柱;甄良
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 岳昕

技術領域

本發明涉及獲得三維傳熱條件下的換熱系數的技術，屬于熱處理工藝領域。

背景技術

為了獲取優異的力學性能，淬火是鋁合金構件各種熱處理程序中最為關鍵的工序之一。隨著計算機技術的發展，利用計算機對材料的性能進行預測，成為越來越不可或缺的手段，是目前科研技術開發和研究的重要途徑。鋁合金構件淬火過程溫度場的計算對材料性能的計算有重要的影響，鋁合金構件溫度場的計算精度決定了材料性能的預測精度。換熱系數是計算鋁合金構件溫度場的變化的重要參數，目前獲得換熱系數(熱流)的方法通常以圓棒作為探頭，測試探頭與介質的換熱過程，并將換熱條件假設為一維換熱條件來獲得換熱系數，這種方法雖然簡便，但不符合實際鋁合金構件的三維換熱條件，這種方法獲得的換熱系數不符合實際鋁合金構件的換熱過程。

發明內容

本發明是為了解決一維換熱條件獲得的淬火過程換熱系數與實際鋁合金構件的三維換熱條件不相符，導致所獲得的換熱系數不準確的問題，從而提供基于有限元法的三維傳熱條件下的鋁合金構件淬火過程換熱系數的獲得方法。

本發明所述的基于有限元法的三維傳熱條件下的鋁合金構件淬火過程換熱系數的獲得方法，該方法包括以下步驟：

步驟一：在鋁合金構件上表面均勻埋入N個熱電偶，即N個測試點，N個熱電偶的N個輸出端分別連接電腦數據采集系統的N個輸入端，將鋁合金構件置于加熱爐中加熱到450℃-550℃保溫均勻后，轉移到介質中進行淬火；

步驟二：建立直角坐標系下的三維導熱微分方程，給出方程的邊界條件和初始條件；

直角坐標系下三維導熱微分方程：

式中c為比熱容；ρ為密度；λ為熱傳導系數；t為時間；T為溫度；

初始條件：

T|_t＝0＝T₀(x,y,z)

邊界條件為：

T₀(x,y,z)為初始溫度，下標s為鋁合金構件的邊界范圍，為綜合換熱系數，T_w為鋁合金構件邊界的溫度，T_c為介質溫度，n為方向矢量；

步驟三：基于有限元計算方法，對鋁合金構件進行有限元網格劃分，設定各表面的換熱系數的初始值，利用有限元方法計算在淬火過程中M時刻對應的溫度場；

步驟四：讀取步驟一中N個測試點在淬火過程中M時刻的測試溫度，在步驟三得到的溫度場中讀取N個測試點的溫度即計算溫度；

步驟五：判斷N個測試點的測試溫度和計算溫度是否滿足收斂條件，收斂條件為

f(x)<1℃，

其中

式中，T_i^c為第i個測試點處的計算溫度，T_i^e為第i個測試點處的測試溫度：

如果判斷結果為是，則將滿足收斂條件的換熱系數作為最終獲得的換熱系數，并結束該方法；

如果判斷結果為否則執行步驟六；

步驟六：通過遺傳算法優化出新的換熱系數；

步驟七：根據新的換熱系數，利用有限元方法計算在淬火過程中M時刻的新的溫度場；

步驟八：在步驟七得到的新的溫度場中讀取N個測試點的溫度即計算溫度，并返回步驟五。

上述步驟一中，將鋁合金構件由加熱爐轉移到介質中的轉移時間少于2s。

上述步驟一中，介質為水或PAG有機溶劑。

上述步驟一中，介質為水時，介質的溫度為20℃、60℃、80℃或100℃，介質為PAG有機溶劑時，介質的溫度為20℃。

上述步驟一中，加熱到的溫度為500℃。

上述步驟三和步驟七中，采用Matlab編寫溫度場求解程序。