專利名稱：結(jié)合有限元法和反傳熱法計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法，屬于金屬熱加工工藝參數(shù)設(shè)計領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
淬火處理在實際生產(chǎn)中是零件的一種非常重要的熱處理方式，以獲得需要的力學性能，而淬火介質(zhì)無疑是最重要的影響因素，淬火介質(zhì)的本質(zhì)作用的體現(xiàn)是在其與金屬表面之間的換熱系數(shù)的大小。尋求精確的方法獲取換熱系數(shù)的大小具有重要的工程實際意義。目前，研究該問題的主要方法是反傳熱計算法，這種方法是一種理論的數(shù)學離散的計算方法，具有一定的不可避免的誤差，導致無法精確控制工業(yè)零件的淬火冷卻速度，冷卻速度難以測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決通過反傳熱計算法獲取換熱系數(shù)的方法具有誤差，導致無法精確控制工業(yè)零件的淬火冷卻速度，冷卻速度難以測量的問題，進而提供一種結(jié)合有限元法和反傳熱法計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法。本發(fā)明是通過下述方案予以實現(xiàn)的結(jié)合有限元法和反傳熱法計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法，所述計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法的具體過程為步驟一、將內(nèi)部插有熱電偶的探頭本體在加熱爐中加熱到860°C保溫均勻后，以不超過2s的轉(zhuǎn)移時間迅速淬入淬火介質(zhì)中，淬火介質(zhì)溫度設(shè)定為Tw，采用電腦系統(tǒng)記錄由熱電偶測得的探頭本體內(nèi)部特征點B3的溫度，并繪制冷卻曲線，即得到此溫度下該淬火介質(zhì)的冷卻曲線；步驟二、基于ABAQUS有限元平臺，采用有限元的方法建立探頭本體的有限元對稱模型，輸入探頭本體材料的物理性能參數(shù)和力學性能參數(shù)，設(shè)定初始溫度850°C，設(shè)定淬火介質(zhì)溫度Tw，選取換熱系數(shù)極大值，選取一維模型的表面特征點Al和內(nèi)部特征點Bi，選取三維模型的表面特征點A2和內(nèi)部特征點B2，一維模型的表面特征點Al與三維模型的表面特征點A2為同一位置點，一維模型內(nèi)部特征點Bi、三維模型內(nèi)部特征點B2和探頭本體內(nèi)部特征點B3為同一點，然后分別采用一維模型和三維模型進行模擬計算并進行比較，探頭本體在一維模型條件下表面特征點Al和三維模型條件下表面特征點A2的冷卻曲線重合，探頭本體在一維模型條件內(nèi)部特征點Bl和三維模型條件內(nèi)部特征點B2的冷卻曲線重合，驗證換熱問題符合的一維性質(zhì)；步驟三、根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律，建立圓柱坐標系下的一維導熱微分方程，給出方程的初始條件和邊界條件，并且定義與溫度具有相同形式的敏感系數(shù)方程，給出敏感系數(shù)方程的初始條件和邊界條件，利用反傳熱法求解探頭本體表面的熱流密度值；圓柱坐標系下的一維導熱微分方程為
權(quán)利要求
1. 一種結(jié)合有限元法和反傳熱法計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法，其特征在于所述計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法的具體過程為步驟一、將內(nèi)部插有熱電偶O)的探頭本體(1)在加熱爐中加熱到860°c保溫均勻后， 以不超過2s的轉(zhuǎn)移時間迅速淬入淬火介質(zhì)中，淬火介質(zhì)溫度設(shè)定為Tw，采用電腦系統(tǒng)記錄由熱電偶⑵測得的探頭本體⑴內(nèi)部特征點B3的溫度，并繪制冷卻曲線，即得到此溫度下該淬火介質(zhì)的冷卻曲線；步驟二、基于ABAQUS有限元平臺，采用有限元的方法建立探頭本體(1)的有限元對稱模型，輸入探頭本體⑴材料的物理性能參數(shù)和力學性能參數(shù)，設(shè)定初始溫度850°C，設(shè)定淬火介質(zhì)溫度Tw，選取換熱系數(shù)極大值，選取一維模型的表面特征點Al和內(nèi)部特征點Bi， 選取三維模型的表面特征點A2和內(nèi)部特征點B2，一維模型的表面特征點Al與三維模型的表面特征點A2為同一位置點，一維模型內(nèi)部特征點Bi、三維模型內(nèi)部特征點B2和探頭本體(1)內(nèi)部特征點B3為同一點，然后分別采用一維模型和三維模型進行模擬計算并進行比較，探頭本體(1)在一維模型條件下表面特征點Al和三維模型條件下表面特征點A2的冷卻曲線重合，探頭本體(1)在一維模型條件內(nèi)部特征點Bl和三維模型條件內(nèi)部特征點B2 的冷卻曲線重合，驗證換熱問題符合的一維性質(zhì)；步驟三、根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律，建立圓柱坐標系下的一維導熱微分方程，給出方程的初始條件和邊界條件，并且定義與溫度具有相同形式的敏感系數(shù)方程，給出敏感系數(shù)方程的初始條件和邊界條件，利用反傳熱法求解探頭本體(1)表面的熱流密度值； 圓柱坐標系下的一維導熱微分方程為dT Idf, ΒΤλ pc——=--Ar——門、dt rdry dr J⑴式中P為密度；(3為比熱容；T為探頭本體表面溫度；t為時間；λ為熱傳導系數(shù)；！“為探頭本體(1)的半徑； 初始條件為T(r, V1) = V1W(2)式中tM_i為M-I時刻JH (r)為tM_i時刻的溫度分布； 邊界條件為cim= const tm-i < t < tM(3)—λ—— =<^r r=Rq{t)t > tMdT-λ— = 0(4)^r ,=0式中R為探頭本體(1)的實際半徑值；式中tM為M時刻；熱流密度qM為常數(shù)；q(t)為 t時刻的熱流密度值；定義敏感系數(shù)為探頭本體(1)內(nèi)部點溫度測量誤差的敏感程度，是溫度關(guān)于熱流密度的一級微商；敏感系數(shù)表達式為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)合有限元法和反傳熱法計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法，其特征在于步驟一中的淬火介質(zhì)為水、20號機油或UCON-A淬火劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)合有限元法和反傳熱法計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法，其特征在于步驟一中的淬火介質(zhì)為水時，淬火介質(zhì)溫度設(shè)定為251、451、601或801。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)合有限元法和反傳熱法計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法，其特征在于步驟一中的淬火介質(zhì)為20號機油時，淬火介質(zhì)溫度設(shè)定為25°C、45°C或60°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)合有限元法和反傳熱法計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法， 其特征在于步驟一中的淬火介質(zhì)為UCON-A淬火劑時，淬火介質(zhì)溫度設(shè)定為25°C、45°C或 60°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)合有限元法和反傳熱法計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法，其特征在于步驟一中的探頭本體(1)的線性尺寸為Φ 12. 5X60mm，探頭本體(1)的材料為鎳鉻鐵基固溶強化合金，熱電偶O)的直徑為1.5mm。
7.一種結(jié)合有限元法和反傳熱法計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法，其特征在于所述計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法的具體過程為步驟一、將內(nèi)部插有熱電偶O)的探頭本體(1)在加熱爐中加熱到860°C保溫均勻后， 以不超過2s的轉(zhuǎn)移時間迅速淬入淬火介質(zhì)中，淬火介質(zhì)溫度設(shè)定為Tw，采用電腦系統(tǒng)記錄由熱電偶⑵測得的探頭本體⑴內(nèi)部特征點B3的溫度，并繪制冷卻曲線，即得到此溫度下該淬火介質(zhì)的冷卻曲線；探頭本體(1)的線性尺寸為Φ 12. 5 X 60mm，探頭本體(1)的材料為鎳鉻鐵基固溶強化合金，熱電偶O)的直徑為1.5mm，淬火介質(zhì)為水，淬火介質(zhì)溫度Tw設(shè)定為25°C ；步驟二、基于ABAQUS有限元平臺，采用有限元的方法建立探頭本體(1)的有限元對稱模型，輸入探頭本體(1)鎳鉻鐵基固溶強化合金材料的物理性能參數(shù)和力學性能參數(shù)，設(shè)定初始溫度850 0C，設(shè)定淬火介質(zhì)水的溫度Tw為25 °C，選取換熱系數(shù)極大值22000W (m2 X K)， 選取一維模型的表面特征點Al和內(nèi)部特征點Bi，選取三維模型的表面特征點A2和內(nèi)部特征點B2，一維模型的表面特征點Al與三維模型的表面特征點A2為同一位置點，一維模型內(nèi)部特征點Bi、三維模型內(nèi)部特征點B2和探頭本體(1)內(nèi)部特征點B3為同一點，然后分別采用一維模型和三維模型進行模擬計算并進行比較，探頭本體(1)在一維模型條件下表面特征點Al和三維模型條件下表面特征點A2的冷卻曲線重合，探頭本體(1)在一維模型條件內(nèi)部特征點Bl和三維模型條件內(nèi)部特征點B2的冷卻曲線重合，驗證換熱問題符合的一維性質(zhì)；步驟三、根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律，建立圓柱坐標系下的一維導熱微分方程，給出方程的初始條件和邊界條件，并且定義與溫度具有相同形式的敏感系數(shù)方程，給出敏感系數(shù)方程的初始條件和邊界條件，利用反傳熱法求解探頭本體(1)表面的熱流密度值； 圓柱坐標系下的一維導熱微分方程為
全文摘要
結(jié)合有限元法和反傳熱法計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法，它涉及一種計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法。本方法包括以下步驟使用探頭本體，實驗測試本體內(nèi)部點的冷卻曲線；建立探頭本體的有限元模型，進行溫度場仿真，驗證該問題的一維性；建立坐標系下的一維導熱微分方程和敏感系數(shù)方程，利用反傳熱法求解本體表面的熱流密度值；根據(jù)牛頓換熱定律計算介質(zhì)的換熱系數(shù)，將探頭內(nèi)部點的實測溫度與計算值進行對比驗證，保證求解的精確性。本發(fā)明用于計算淬火介質(zhì)的換熱系數(shù)。
文檔編號G06F17/50GK102521439SQ201110395888
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者何東, 劉勇, 朱景川, 來忠紅, 楊夏煒 申請人:哈爾濱工業(yè)大學