鋁合金末端淬火界面換熱系數的反分析求解

陳瑋任，徐 戎

（湖南文理學院機械工程學院，湖南常德415000）

鋁合金末端淬火界面換熱系數的反分析求解

陳瑋任，徐 戎

（湖南文理學院機械工程學院，湖南常德415000）

在數值模擬過程中，界面換熱系數的準確性直接影響到模擬精度。以6082鋁合金末端淬火實驗為基礎，采用反傳熱法求解了界面換熱系數，結果表明：界面換熱系數隨表面溫度降低而增大，且兩者之間的關系是非線性的。

鋁合金；反分析法；末端淬火；界面換熱系數

交通運輸工具輕量化是節能減排的有效途徑。鋁合金型材作為理想的輕量化材料，已在交通運輸、航空航天等領域取得了普遍應用[1，2]。淬火熱處理是提高鋁型材力學性能的重要手段，但淬火時產品的急劇冷卻容易產生很大的殘余應力，可能引發翹曲、扭曲等變形。因此，深入研究鋁合金型材的淬火過程，提高淬火后產品質量，已成為當前鋁加工業的重要課題[3]。采用傳統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。隨著計算機運算能力的不斷提高，數值仿真技術普遍應用于金屬熱處理領域，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高效經濟的方法。然而，模擬的精度在很大程度上取決于邊界條件的設定，尤其是對界面換熱系數的設定特別敏感。因此，如何獲得高精度的界面換熱系數成了提高鋁合金淬火過程計算機模擬精度的重要任務之一。

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

1 實驗

本文采用的末端淬火實驗裝置如圖1所示，包括噴射淬火系統（圖中左邊虛線框）、試樣和溫度數據采集系統（圖中右邊虛線框）。如圖2所示，試樣設計為直徑30 mm，長度120 mm，以使淬火過程界面傳熱可近似看成一維傳熱。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，方便實驗過程中實時采集特征點T1、T2和T3的溫度變化曲線。本文實驗采用的工藝參數如表1所示。

圖1 末端淬火實驗裝置圖

圖2 淬火試樣設計圖

表1 末端淬火實驗工藝參數

實驗中，具體操作過程如下：（1）按圖1安裝好除試樣以外的實驗裝置；（2）在試樣上按圖2中T1、T2和T3位置將三組耐高溫熱電偶安裝好，熱電偶另一端同時連接NI USB-9213數據采集儀；（3）將試樣放入電阻爐內加熱至設定溫度并保溫半小時；（4）保溫快結束時，將溫度采集儀與電腦連接好，通過電腦實時監控試樣溫度，當三處熱電偶溫度到達預設溫度且溫差小于0.2℃時，迅速取出試樣并盡快安裝到位；（5）進行噴霧淬火，并實時采集和記錄三組熱電偶的溫度數據。

2 反求結果及驗證

2.1 反求原理

反分析法計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）在若干個時間步長Δθ上進行離散（qi=q1，q2…qN）；在求解每個Δθ內的熱流qi時，假設在RΔθ時間間隔內qi為一個常數，R為未來時間步長，如圖3（b）所示。qi的值可通過下式求得：

（續下圖）

圖3 熱流被離散求解的情況[5]

2.2 反求結果

根據反分析求解原理[4，6]，計算的鋁合金淬火界面換熱系數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隨表面溫度降低是不斷增大的，且兩者之間是非線性關系。界面換熱系數最大值約為23 kW/m2K，對應的表面溫度約為150℃.

圖4 鋁合金末端淬火界面換熱系數隨表面溫度的變化

2.3 反求結果的驗證

為驗證計算淬火界面換熱系數的反分析方法的準確性和可靠性，對T2和T3兩點的實驗測量溫度和反分析計算溫度進行了對比，結果如圖5所示。

圖5 計算與測量的試樣特征點冷卻曲線

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，在本文末端淬火實驗中，計算的與測量的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是可靠的。

3 結束語

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

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

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

[3]張立文，朱大喜，王明偉.淬火冷卻介質換熱系數研究進展[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

湖南文理學院博士科研啟動項目“鋁合金淬火界面換熱系數的反分析求解”（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。