铝合金淬火界面换热系数反分析求解及在仿真中的应用

来源 :湖南大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:chengxuyuanx
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由于尺寸较大、壁厚不均,交通用铝合金型材在淬火过程中容易产生扭曲和翘曲等变形,且难以预测和控制,从而影响产品的尺寸精度和成品率。随着计算机技术的快速发展,数值模拟技术成为解决零件淬火变形的强有力工具。在数值模拟过程中,界面换热系数(h)的准确性直接影响到模拟精度。本文以末端淬火实验为基础,采用反传热法求解了界面换热系数,分析了工艺参数对其影响,并将反求获得的界面换热系数应用到型材挤压在线淬火过程的数值模拟。主要研究成果如下:  (1)建立了界面换热系数的一维反传热求解模型。利用该模型求解了槽内末端淬火和三类喷射末端淬火的界面热流密度和换热系数,结果表明:随工件表面温度降低,淬火的界面热流密度先增大再减小,使得槽内淬火的界面换热系数也是先增大再减小,而由于试样表面介质流量密度较低,喷射淬火的界面换热系数则不断增大。  (2)探明了水温、粗糙度和搅拌条件对槽内末端淬火界面换热系数的影响规律。试样初始温度为95℃时,随粗糙度增大和水温升高,界面换热系数减小,超声波搅拌使界面热流密度峰值和换热系数峰值分别提高6倍和10倍。试样初始温度为520℃时,随粗糙度增大,界面换热系数先增大后减小。建立了无相变末端淬火过程界面换热系数峰值理论预测模型,预测值与反求值的相对误差小于13%。  (3)探明了试样初始温度、试样表面流量密度、粗糙度对喷射末端淬火界面换热系数的影响规律。试样初始温度升高会提高试样总蓄热量和初始的界面温差,导致喷水淬火的过渡沸腾阶段和喷气淬火整个过程的界面换热系数增大,但其对喷水淬火核沸腾阶段基本没有影响。粗糙度影响淬火界面换热的先决条件是介质平均换热单元的几何尺寸与其值相当。在有相变的喷水和喷雾淬火过程中,随粗糙度增大,核沸腾阶段气泡形核位置密度先减小后增大,导致界面换热系数也先减小后增大;在无相变的喷气淬火过程中,随粗糙度增大,边界层内的气体滞留时间增长,导致界面换热系数不断减小。界面换热系数随试样表面流量密度的增大而增大;当试样表面流量密度大于临界值时,由于接触时间缩短,界面换热系数会随试样表面流量密度增大而减小。  (4)提出单位体积介质最大吸热量的概念,并运用其比较了喷射末端淬火中不同类型介质的冷却效率。结果表明:水雾、水和空气按单位体积冷却效率依次降低,水、空气和水雾按增大流量对冷却效率的提升效果依次减弱,三类介质的单位体积冷却效率均随流量增大而降低。  (5)建立了某复杂截面铝型材挤压在线淬火实际生产过程的有限元模型,采用反求的界面换热系数作为边界条件,模拟计算了型材挤压在线风淬过程。风速大于20m/s时,型材在淬火敏感温度区间的平均冷却速率均大于6082铝合金要求的淬火冷却速率。风速越大,型材的冷却越不均匀,产生的应力和应变也越大,增大了型材产生变形等缺陷的风险。在合金淬火敏感温度区间内,模拟温度与实测温度平均相对误差约为8.5%,说明所获得的界面换热系数具有较高精度。
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