鋁合金末端淬火界面換熱系數(shù)的反分析求解

陳瑋任，徐 戎

（湖南文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南常德415000）

鋁合金末端淬火界面換熱系數(shù)的反分析求解

陳瑋任，徐 戎

（湖南文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南常德415000）

在數(shù)值模擬過程中，界面換熱系數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響到模擬精度。以6082鋁合金末端淬火實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用反傳熱法求解了界面換熱系數(shù)，結(jié)果表明：界面換熱系數(shù)隨表面溫度降低而增大，且兩者之間的關(guān)系是非線性的。

鋁合金；反分析法；末端淬火；界面換熱系數(shù)

交通運(yùn)輸工具輕量化是節(jié)能減排的有效途徑。鋁合金型材作為理想的輕量化材料，已在交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域取得了普遍應(yīng)用[1，2]。淬火熱處理是提高鋁型材力學(xué)性能的重要手段，但淬火時(shí)產(chǎn)品的急劇冷卻容易產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，可能引發(fā)翹曲、扭曲等變形。因此，深入研究鋁合金型材的淬火過程，提高淬火后產(chǎn)品質(zhì)量，已成為當(dāng)前鋁加工業(yè)的重要課題[3]。采用傳統(tǒng)方法研究鋁合金淬火過程，不僅成本高、周期長，而且效率低下。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的不斷提高，數(shù)值仿真技術(shù)普遍應(yīng)用于金屬熱處理領(lǐng)域，為研究和解決鋁合金淬火過程中的變形等問題提供了一個(gè)高效經(jīng)濟(jì)的方法。然而，模擬的精度在很大程度上取決于邊界條件的設(shè)定，尤其是對界面換熱系數(shù)的設(shè)定特別敏感。因此，如何獲得高精度的界面換熱系數(shù)成了提高鋁合金淬火過程計(jì)算機(jī)模擬精度的重要任務(wù)之一。

為此，本文以末端淬火實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用反分析法求解了6082鋁合金淬火界面換熱系數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可靠性，為鋁合金淬火界面換熱系數(shù)研究探索了新途徑。

1 實(shí)驗(yàn)

本文采用的末端淬火實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，包括噴射淬火系統(tǒng)（圖中左邊虛線框）、試樣和溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（圖中右邊虛線框）。如圖2所示，試樣設(shè)計(jì)為直徑30 mm，長度120 mm，以使淬火過程界面?zhèn)鳠峥山瓶闯梢痪S傳熱。在距離試樣端面3 mm、10 mm和20 mm處分別鉆取直徑3 mm、深度15 mm的熱電偶安裝孔，方便實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)采集特征點(diǎn)T1、T2和T3的溫度變化曲線。本文實(shí)驗(yàn)采用的工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 末端淬火實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 淬火試樣設(shè)計(jì)圖

表1 末端淬火實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中，具體操作過程如下：（1）按圖1安裝好除試樣以外的實(shí)驗(yàn)裝置；（2）在試樣上按圖2中T1、T2和T3位置將三組耐高溫?zé)犭娕及惭b好，熱電偶另一端同時(shí)連接NI USB-9213數(shù)據(jù)采集儀；（3）將試樣放入電阻爐內(nèi)加熱至設(shè)定溫度并保溫半小時(shí)；（4）保溫快結(jié)束時(shí)，將溫度采集儀與電腦連接好，通過電腦實(shí)時(shí)監(jiān)控試樣溫度，當(dāng)三處熱電偶溫度到達(dá)預(yù)設(shè)溫度且溫差小于0.2℃時(shí)，迅速取出試樣并盡快安裝到位；（5）進(jìn)行噴霧淬火，并實(shí)時(shí)采集和記錄三組熱電偶的溫度數(shù)據(jù)。

2 反求結(jié)果及驗(yàn)證

2.1 反求原理

反分析法計(jì)算界面熱流的主要求解思想和過程是[4]：如圖3（a），將熱流q（t）在若干個(gè)時(shí)間步長Δθ上進(jìn)行離散（qi=q1，q2…qN）；在求解每個(gè)Δθ內(nèi)的熱流qi時(shí)，假設(shè)在RΔθ時(shí)間間隔內(nèi)qi為一個(gè)常數(shù)，R為未來時(shí)間步長，如圖3（b）所示。qi的值可通過下式求得：

（續(xù)下圖）

圖3 熱流被離散求解的情況[5]

2.2 反求結(jié)果

根據(jù)反分析求解原理[4，6]，計(jì)算的鋁合金淬火界面換熱系數(shù)隨試樣表面溫度的變化曲線如圖4所示。由圖可知，鋁合金末端淬火的界面換熱系數(shù)隨表面溫度降低是不斷增大的，且兩者之間是非線性關(guān)系。界面換熱系數(shù)最大值約為23 kW/m2K，對應(yīng)的表面溫度約為150℃.

圖4 鋁合金末端淬火界面換熱系數(shù)隨表面溫度的變化

2.3 反求結(jié)果的驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算淬火界面換熱系數(shù)的反分析方法的準(zhǔn)確性和可靠性，對T2和T3兩點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)測量溫度和反分析計(jì)算溫度進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 計(jì)算與測量的試樣特征點(diǎn)冷卻曲線

T1、T2和T3是測量的溫度曲線，它們離表面的距離分別為3 mm、10 mm和20 mm.C1、C2和C3是反算的溫度曲線，它們離表面的距離分別為0 mm、10 mm和20 mm.從圖5可以看出，在本文末端淬火實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算的與測量的T2和T3溫度均吻合較好，說明采用反分析法來求解鋁合金末端淬火界面換熱系數(shù)是可靠的。

3 結(jié)束語

本文采用反分析法求解了鋁合金末端淬火界面換熱系數(shù)，并驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。反求結(jié)果表明：界面換熱系數(shù)隨表面溫度降低而增大，且兩者之間的關(guān)系是非線性的。

[1]楊遇春.鋁和軌道交通運(yùn)輸[J].中國工程科學(xué)，2008，10（5）：79-85.

[2]林學(xué)豐.鋁合金在艦船中的應(yīng)用[J].鋁加工，2003（01）：10-12.

[3]張立文，朱大喜，王明偉.淬火冷卻介質(zhì)換熱系數(shù)研究進(jìn)展[J].金屬熱處理，2008，33（1）：53-56.

[4]Beck J V.Nonlinear estimation applied to the nonlinear heat conduction problem[J].J Heat Transfer，1970（13）：713-6.

[5]Massimo D C.Measurement of primary region heat transfer in horizontal direct chill continuous casting of aluminum alloy re-melt ingots[D].Toronto：University of Toronto，2004.

[6]Zhang L Q，Li L X.Determination of heat transfer coefficients at metal/chill interface in the casting solidification process[J]. Heat Mass Transfer，2013，49（4）：1071-1080.

The Determination of the Interfacial Heat Transfer Coefficient During Aluminum end Quenching Based on the Inverse Analysis Method

CHEN Wei-ren，XU Rong
（College of Mechanical Engineering，Hunan University of Arts and Science，Changde Hunan 415000，China）

In the numerical simulation，the interfacial heat transfer coefficient directly influences the simulation accuracy.In the present study，the interfacial heat transfer coefficients during 6082 Aluminum alloy end quenching experiments were calculated by inverse heat conduction method.The results show that the interfacial heat transfer coefficient increases with the decrease of surface temperature，and the relationship between the two is nonlinear.

aluminum alloy；inverse analysis method；end quenching；interfacial heat transfer coefficient

TG166.3

A

1672-545X（2016）11-0131-03

2016-08-10

湖南文理學(xué)院博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目“鋁合金淬火界面換熱系數(shù)的反分析求解”（403|E07016004）

陳瑋任（1995-），男，山西臨汾人，本科，研究方向：機(jī)械電子工程；徐戎（1980-），男，湖南長沙人，博士，講師，研究方向：材料成型及控制。