高强度钢板热成形换热系数估算及实验研究

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车用高强度钢板热冲压成形技术为改善高强度钢板的成形性和零件的使用强度提供了综合的解决方案。在热成形过程中,红热钢板一直处于与外界热交换的状态之中,材料的降温历程直接决定了相变组织的形成并影响到零件最终使用性能。材料与外界的换热特性用换热系数来表征,换热系数的大小由材料和外部介质的物理特性和接触状态决定。在成形过程的不同阶段,材料与外界的热交换模式不同,换热系数的数学描述和影响因素亦不相同。为获取成形过程不同阶段(加热、转运、冲压、保压淬火)的换热系数,本文基于传热学基础理论,对热成形过程不同阶段下的换热模式进行了分析,给出了从理论求解和反向估算两个角度求解各阶段换热系数的方法:利用材料基本参数和传热模型理论求解换热系数;建立换热系数基础实验并利用反向估算出空冷、间隙传导、接触传导、管道对流的换热系数。(1)板料在转运过程中,其主要热交换方式热辐射以及空气热对流。本文利用改进的牛顿冷却定律估算空冷换热系数,换热系数主要取决于板料温度和尺寸,热辐射系数,空气温度和流动速率。板料温度越高,空气流动速度越大,换热系数越大。(2)间隙传导可视为“多层材料传导”和热辐射的综合作用。本文利用改进的牛顿冷却定律估算间隙换热系数,换热系数受空气温度和间隙大小影响,板料温度越高,间隙越小,换热系数越大。(3)接触传导是界面凸起接触点传导、夹层空气传导和热辐射的综合作用,其中接触点材料热导是界面综合换热系数的最大决定因素,空气层热传导影响较小,辐射换热几乎可以忽略。本文利用热平衡的数值积分形式和Beck顺序估算法两种方法估算了接触传导换热系数,换热系数大小取决于接触材料的属性和真实接触面积两个基本因素,其中材料属性与温度和相变组织有关,真实接触面积与压力相关。(4)本文利用稳态反算的思路估算管道对流换热系数,管道对流换热系数大小取决于管径内壁和粗糙度,以及流体介质属性和流速等因素。管径越大,流速越快,换热系数越大。最后,将实验获取的换热系数带入有限元软件仿真计算,并将计算结果与实验数据对比,对比结果验证了实验和反算方法的有效性和可靠性。
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