材料熱力學參數測試裝置的結構設計和穩態熱分析

劉芬 劉紅武 劉淑慧 王康

摘要：為解決現有管式爐在高溫燒結時存在不能測量溫度和變形的問題，以現有管式爐為基礎，設計并改進一種用于測試高溫條件下材料熱力學參數的裝置。通過ANSYS Workbench對該測試裝置的管式爐結構進行建模，采用實體單元對結構進行模擬；對管式爐結構進行穩態熱分析，并得到法蘭的溫度，評估配置冷卻系統的必要性；利用參數優化方法，得到法蘭2右端溫度為40 ℃時冷卻系統需要具備的對流傳熱系數，為冷卻系統中模溫機的選型提供指導。

關鍵詞：管式爐；冷卻系統；測試裝置；對流傳熱系數；參數優化；穩態熱分析

中圖分類號：TK123；TB115.1

文獻標志碼：B

0 引 言

在一些高端制造行業，如精密鑄造行業、金屬粉末注射成型行業中，零部件的制造精度要求很高，但在實際生產中，燒結工序的溫度變化對零部件成型的最終精度影響非常大[1]，并在很大程度上決定零部件制造的周期和成本。因此，在零部件制造工藝研發過程中，有必要借助計算機數值模擬預測零部件在燒結工序中的變形。計算機數值模擬需要獲取零部件材料熱力學性能參數，包括材料在加熱和冷卻過程中各個溫度條件下對應的變形數值。

高溫條件下材料本構熱力學參數是計算機數值模擬的重要輸入數據。根據燒結試驗測得與產品燒結本構相關的參數，如加熱和冷卻過程中零件的收縮率δ（不同溫度下對應的變形數值），結合理論知識，將燒結本構相關參數標定[2-4]為

然而，現有管式爐無法完成上述所需熱力學參數的測試，其爐管內部試件無法放置和定位，試驗可重復性差。爐管內的溫度較高，難以實現對爐管內的試件變形進行實時測量和監控。測溫元件一般位于管式爐的爐管外側，難于得到零部件試樣本身及周邊溫度的精確值?，F有測溫元件均基于熱電偶原理，僅能測試若干接觸點的溫度，得不到整個試樣的溫度分布。基于此，本文設計一種對試件溫度和變形實時測量和監測的熱力學參數測試裝置，以得到滿足計算機數值模擬所需的試驗參數。運用有限元仿真得到冷卻系統所需的對流傳熱系數和流量，對模溫機型號的合適選取提供指導。

1 結構設計和工作原理

新型材料熱力學參數測試裝置及爐管內部結構示意見圖1。該測試裝置包括爐膛、爐管、爐管內置測溫元件、試件夾具、冷卻系統、法蘭、法蘭封口（透明）、測溫儀器、溫度控制系統、攝像儀和抽真空系統等。

爐管的材質為氧化鋁99瓷，內部帶有可以安裝和定位試件夾具的滑槽，該滑槽可以精確固定試件，減小試驗誤差。爐管內的試件夾具用于支撐試件，可以調節試件的放置角度，并且帶有刻度，可作為外部設備進行變形測量的參考基準。爐管內置測溫元件，可測量爐管內試件的溫度，

調節測溫元件的位置，以便精確測量試件上某點的溫度。爐管兩側的法蘭封口采用透明的石英玻璃，在法蘭右側放置測量和監測試件變形的儀器（攝像儀），可以測量整個試件隨溫度的變形過程，在法蘭左側放置測量整個試件溫度的測溫儀。冷卻系統的作用是降低法蘭及其周邊的溫度，防止法蘭和周邊測量設備在超高溫時發生損壞。溫度控制系統控制爐膛內溫度。在抽真空系統完成抽真空操作后，往爐管填充惰性氣體保護試件，使其在燒結過程中不發生化學反應。

試件安裝到試件夾具上，通過爐管的滑槽，將試件和夾具放入爐管內，調整夾具位置并固定；將冷卻系統與爐管連接；將法蘭（內含透明的法蘭封口）與爐管連接，在法蘭右側放置攝像儀，左側放置測溫儀（紅外熱像儀）；打開抽真空系統將惰性氣體充入爐管內；通過溫度控制系統調節到所需溫度后啟動冷卻系統。爐膛開始升溫，試件隨著溫度升高開始變形，測溫元件實時記錄試件某點的溫度，測溫儀實時記錄整個試件的溫度，外部攝像儀通過參照試件夾具上的刻度，精確記錄試件的變形過程。該材料熱力學參數測試裝置可精確測量試件在各溫度場下的變形。

2 法蘭熱分析及對流傳熱系數計算

選取材料熱力學參數測試裝置中的管式爐結構作為研究對象，采用ANSYS Workbench進行穩態熱分析[5]，包含以下2種情況：當管式爐結構未設置冷卻系統時，在空氣中進行管式爐結構的溫度場分析；當管式爐結構已設置冷卻系統時，在空氣和冷卻系統中進行管式爐結構的溫度場分析。對比分析冷卻系統對法蘭溫度的影響，根據法蘭和周邊設備對環境溫度的需求，得到冷卻系統的對流傳熱系數，并計算相應的流量，對用作冷卻系統的模溫機型號的合適選取進行指導。

2.1 有限元模型建立

管式爐結構的幾何模型見圖3，包含爐管、法蘭1、法蘭2、法蘭1封口和法蘭2封口。冷卻系統采用水冷，該有限元模型未考慮冷卻系統的實際結構，設置為對流傳熱邊界條件，其中包括對流傳熱系數和水的溫度。管式爐結構的有限元模型見圖4。

2.2 材料參數

爐管材質為氧化鋁99瓷，法蘭材質為鋁合金 AL7075，法蘭封口為石英玻璃，其穩態熱分析涉及的材料參數見表1。

2.3 邊界條件

對管式爐結構的穩態熱分析分為2種情況：不設置冷卻系統和設置冷卻系統。分別對兩者的邊界條件進行說明。

邊界區域和未設置冷卻系統時的邊界條件分別見圖5和6。當管式爐結構未設置冷卻系統時，藍色區域為爐膛區，紫色區域為爐管中心初始溫度區，橙色區域為恒溫區，溫度為1 300 ℃，綠色區域為空氣自然對流區，其空氣自然對流傳熱系數為5.00 W/（m2·℃），空氣溫度取室溫32 ℃。當管式爐結構設置冷卻系統時，爐管中心初始溫度與未設置冷卻系統時相同，黃色區域為空氣熱對流區，其空氣自然對流傳熱系數和空氣溫度與未設置冷卻系統時相同，紅色區域為冷卻系統熱對流區，水溫取室溫32 ℃。采用參數優化方法，將對流傳熱系數設置為設計變量，給予一定的搜索范圍；法蘭2右端溫度作為目標函數，設置為40 ℃（攝像機放置處最高工作溫度為50 ℃）。

2.4 有限元數值分析

當管式爐結構未設置冷卻系統時，管式爐結構整體的溫度場分布見圖7a），法蘭的溫度場分布見圖8a），此時法蘭2右端溫度約為232 ℃；當管式爐結構設置冷卻系統時，管式爐結構中整體的溫度場分布見圖7b），法蘭的溫度場分布見圖8b），此時法蘭2右端溫度約為40 ℃，冷卻系統的對流傳熱系數為98.42 W/（m2·℃），對應區域見圖9。

數值分析結果表明，未設置冷卻系統時管式爐結構的法蘭溫度接近232 ℃，此時，為確保攝像機等設備能正常工作，應增加冷卻系統，冷卻系統所需具備的對流傳熱系數須大于98.42 W/（m2·℃），此時對應的水流量為5.54 L/min[6]，可根據此流量選取相應的模溫機型號。

3 結束語

本文提出一種熱力學參數測試裝置的機械結構設計，在現有管式爐結構的基礎上，優化爐管內部結構，改造爐管端部結構，并新增測量溫度和變形的設備，實現試件高溫變形的實時測量和監控。另外，新增法蘭冷卻系統，保證新增設備的正常工作。

采用ANSYS Workbench對管式爐結構進行穩態熱分析，對比分析有無冷卻系統對法蘭溫度的影響，驗證冷卻系統的必要性。根據法蘭及周邊設備對溫度環境的需要，得到冷卻系統的對流傳熱系數及相應的流量，研究結果對冷卻系統選取合適的模溫機型號有重要的指導意義。

參考文獻：

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[5] 浦廣益. ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解[M]. 北京：中國水利水電出版社， 2010： 91-93.

[6] 楊世銘， 陶文銓. 傳熱學[M]. 4版. 北京： 高等教育出版社， 2006： 257-258.

（編輯 付宇靚）