一種鑄造過程中界面換熱系數(shù)的測定方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及界面換熱系數(shù)的測定方法，具體為一種鑄造過程中界面換熱系數(shù)的測 定方法。
【背景技術】
[0002] 鑄造因其毛坯近凈成形，而達到免機械加工或少量加工的目的降低了成本并在一 定程度上減少了制作時間，是現(xiàn)代制造工業(yè)的基礎工藝之一，也是目前應用最廣泛的加工 成型方法之一，在國民經(jīng)濟和國防建設中起著非常重要的作用。近年來，隨著計算技術的發(fā) 展，數(shù)值仿真已經(jīng)成為鑄造凝固過程控制、工藝設計及提高鑄件產(chǎn)品質量和性能的有效手 段，鑄造工藝的設計逐步從經(jīng)驗走向科學。在目前商業(yè)有限元軟件相對較成熟的前提下，模 擬仿真所使用的材料物性參數(shù)和邊界條件與實際情況的差別大小就成了影響模擬精度的 關鍵因素。而作為主要邊界條件之一的界面換熱系數(shù)的精準確定已成為鑄造凝固過程仿真 研宄中目前急待解決的難題。
[0003] 計算機數(shù)值模擬技術的精確性對于邊界條件有著很強的依賴關系，邊界條件的稍 作修改可能會導致計算結果產(chǎn)生本質的區(qū)別，從而直接影響了后續(xù)的分析和研宄，尤其在 以界面換熱系數(shù)作為邊界條件的數(shù)值模擬問題上，這種影響就更加明顯。而鑄造過程中界 面換熱系數(shù)因為它在鑄造凝固過程中受到很多因素的影響，例如澆鑄溫度等工藝條件、冷 卻條件、界面接觸狀況以及相變時的潛熱等，這些因素相互作用和影響，使得準確測定界面 換熱系數(shù)非常困難，目前在數(shù)值模擬過程中，研宄者主要是通過試錯法不斷地調整工件與 模具間界面換熱系數(shù)值使數(shù)值計算和實驗測量的溫度場逼近來確定其值，不僅效率低，而 且精度很難得到保證。

【發(fā)明內容】

[0004] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種鑄造過程中界面換熱系數(shù)的測定方法， 從而解決現(xiàn)有技術中存在的金屬鑄造冷卻凝固過程中，界面換熱系數(shù)難以準確確定的問 題。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下方案：
[0006] 一種鑄造過程中界面換熱系數(shù)的測定方法，通過在鑄型和型腔內部分別放置熱電 偶，測得的數(shù)據(jù)輸送至溫度采集儀及計算機，得到界面換熱系數(shù)；其中，在鑄型和型腔內部 靠近鑄型表面的位置分別放置直徑為0. lmm-〇. 5mm型熱電偶，熱電偶插入到鑄型 內與鑄型型腔內的一端都由2. Omm-lOmm的陶瓷管保護；
[0007] 熱電偶測得的數(shù)據(jù)通過溫度采集儀輸入計算機，首先通過鑄型或鑄件內部已知的 溫度數(shù)據(jù)來計算界面熱流量，然后運用反傳熱算法計算界面的換熱系數(shù)。
[0008] 反傳熱問題與正傳熱問題相反，反傳熱算法的計算過程是通過鑄型或鑄件內部已 知的溫度數(shù)據(jù)來反算不知道的邊界條件。采用反傳熱算法計算界面換熱系數(shù)時，首先通過 鑄型或鑄件內部已知的溫度數(shù)據(jù)來計算界面熱流量，再通過公式（1)計算界面的換熱系 數(shù)。
[0009] h = q/ (Tcasting-Tchill) h = q/ (Tcasting-Tchill) 公式（1)
[0010] h是界面換熱系數(shù)（W
[0011] q是界面熱流量（w nT2)
[0012] 1^11和1'__分別是鑄型與鑄件的表面溫度〇()
[0013] 反傳熱算法的計算過程中，根據(jù)非線性估算法可以將隨時間變化的熱流量q(t) 分成N個時間間隔的離散值（qi= qi，q2~qN)，另外，由于鑄型或鑄件內部熱電偶溫度數(shù)據(jù) 的響應滯后于鑄型/鑄件界面溫度數(shù)據(jù)變化，因而在計算每個△ 0時間間隔內的熱流量qi 時，為改善反傳熱算法的穩(wěn)定性，在計算每個△ 0時間間隔內的熱流量Qi時，設定一個R值 為將來時間步長，使得1在1?八0時間間隔時長內為一個常數(shù)，所述R的數(shù)值范圍為2-20。 [0014] 采用反傳熱算法計算界面熱流量時，需要設置相應的反算參數(shù)，主要包括：熱流量 計算的時間步長△ 0、將來時間步長R、初始猜測的熱流量、初始的溫度場和迭代收斂誤差 判據(jù)等。這些參數(shù)設置后，開始計算，當?shù)谝粋€時間間隔A 0內的熱流量qi被迭代計算得 到后，循環(huán)計算下一個時間間隔△ 0內的熱流量q2，周而復始，直到每一個時間間隔A 0 內的熱流量^被計算出來為止。其中每一個時間間隔A 0的熱流量qi是通過計算溫度與 測量溫度誤差值最小的判據(jù)迭代計算獲得，可用公式（2)表示：
[0015]
【主權項】
1. 一種鑄造過程中界面換熱系數(shù)的測定方法，通過在鑄型和型腔內部分別放置熱電 偶，測得的數(shù)據(jù)輸送至溫度采集儀及計算機，得到界面換熱系數(shù)； 其中，在鑄型和型腔內部靠近鑄型表面的位置分別放置直徑為0.lmm-〇. 5_ 型熱電偶，熱電偶插入到鑄型內與鑄型型腔內的一端都由2.Omm-lOmm的陶瓷管保護； 熱電偶測得的數(shù)據(jù)通過溫度采集儀輸入計算機，首先通過鑄型和鑄件內部已知的溫度 場來計算界面的熱流量，然后運用反傳熱算法計算界面的換熱系數(shù)，反傳熱算法的計算公 式如式（1)所示 hqZ(TcastingTchiii)hQ/ (Tcasting_Tchill)公式（1) h是界面換熱系數(shù)（WmlT1) q是界面熱流量（wnT2) 和TMSting分別是鑄型與鑄件的表面溫度（K) 反傳熱算法的計算過程中，根據(jù)非線性估算法可以將隨時間變化的熱流量q(t)分成N個時間間隔的離散值（qi=qi，q2~qN)，采用反傳熱算法計算界面熱流量時，需要設置相 應的反算參數(shù)，主要包括：熱流量計算的時間步長△9、將來時間步長R、初始猜測的熱流 量、初始的溫度場和迭代收斂誤差判據(jù)等；這些參數(shù)設置后，開始計算，當?shù)谝粋€時間間隔 A0內的熱流量qi被迭代計算得到后，循環(huán)計算下一個時間間隔A0內的熱流量q2，周而 復始，直到每一個時間間隔△ 9內的熱流量qi被計算出來為止；其中每一個時間間隔A9 的熱流量^是通過計算溫度與測量溫度誤差值最小的判據(jù)迭代計算獲得，可用公式（2)表 示：
公式（2) 公式⑵中，函數(shù)F是通過迭代計算的目標函數(shù)，:是在i+RA0時間內的測量溫 度，:為在i+RA0時間內基于d的計算溫度，M是求解的未知熱流量數(shù)；在每一次迭 代計算熱流量Qi過程中，Aq通過下式計算： Aq=S_1XATi+EAe 公式（3) 公式（3)中，S是敏感系數(shù)，被定義為在鑄型或鑄件內某位置溫度隨著單位熱流量變化 的響應，通過數(shù)值差分的方法近似計算得到，其表達式如下：
公式（4) 公式（4)中，k=l，2,…，P和i=l，2,…，N，e是一個數(shù)值差分計算采用的很小 值，例如0.001; 在迭代計算熱流量時，通過一個迭代值Aq更新qS-個阻尼系數(shù)y被使用來穩(wěn)定計 算結果，y的值小于1，迭代計算方程如公式（5): 公式（5) 當公式（5)
中計算的溫度與測量的溫度差值滿足給定的收斂判據(jù)值時，如ATi+KA0 |彡T。,，當前時間步長內的d被計算得到；然后，將此時得到的界面熱流值作為 計算下一時刻熱流值qi+1時的初始假設值，重復前面的過程，直到所有時間步長內的熱流量q(t)被計算出來為止，然后將得到的q(t)代入公式（1)中計算得到界面換熱系數(shù)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種鑄造過程中界面換熱系數(shù)的測定方法，其特征在于，在 采用反傳熱方法計算界面熱流量和換熱系數(shù)時，需要多次迭代計算正傳熱過程，而鑄造凝 固時鑄件由液相轉變?yōu)楣滔嗖殡S結晶潛熱釋放，潛熱的計算式為：
公式（6)
公式（6)中， I有效比熱（kjkpr1)，fs是固相體積分數(shù)，L是鑄件的凝 固潛熱（Jkg，。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種鑄造過程中界面換熱系數(shù)的測定方法，其特征在于，在 計算每個A0時間間隔內的熱流量，設定一個R值為將來時間步長，使得qi在RA0 時間間隔時長內為一個常數(shù)，所述R的數(shù)值范圍為2-20。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種鑄造過程中界面換熱系數(shù)的測定方法，其特征在于，鑄 件冷卻凝固時的鑄型可以是冷卻速度較慢的砂型鑄造，也可以是冷卻速度較快的金屬型鑄 造。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種鑄造過程中界面換熱系數(shù)的測定方法，其特征在于，當 鑄件冷卻凝固時的鑄型為金屬型鑄造，溫度數(shù)據(jù)采集儀的頻率需為50HZ以上。
【專利摘要】一種鑄造過程中界面換熱系數(shù)的測定方法，包括以下步驟：在鑄型和型腔內部靠近鑄型表面1mm-5mm的位置分別放置直徑為0.1mm-0.5mmK型熱電偶，熱電偶插入到鑄型內與鑄型型腔內的一端都由2.0mm-10mm的陶瓷管保護，另一端則通過溫度數(shù)據(jù)采集儀連接到電腦；根據(jù)鑄件測量點和鑄型內部測量點的溫度變化數(shù)據(jù)，利用界面換熱識別軟件，得到鑄件冷卻凝固過程中的界面換熱系數(shù)。本發(fā)明適用于包括鋁合金，鋼鐵等不同金屬材料的砂型鑄造和熔模鑄造、消失模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造等特種鑄造。
【IPC分類】G01N25-20
【公開號】CN104698030
【申請?zhí)枴緾N201510154062
【發(fā)明人】張立強
【申請人】中南林業(yè)科技大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月27日