基于溫度場分析的航空大型烘箱溫度性能研究

熊稚莉，陳 波，蔡豫晉，顧 偉，唐海燕

(成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川 成都 610092)

0 引 言

烘箱是航空材料制造熱加工工藝過程中的重要設備，在消除材料氫脆、涂層固化改善、產品熱老化試驗、復合材料固化成型等工序中起到非常重要的作用[1-2]。溫度均勻性是衡量烘箱溫度性能的重要指標[3]，國內外許多規范，如AMS2750[4]、CPS8100[5]對溫度均勻性的測量都有明確的要求，并且溫度均勻性測試的符合情況是Nadcap（國家航空航天和國防合同方授信項目，national aerospace and defense contractors accreditation program）等三方審查中重要的考核依據之一。隨著航空材料向大型整體化制造方向發展[6]，越來越多的大型烘箱將投入于航空大型零件制造使用。在烘箱的安裝調試過程中，需要特別關注溫度性能。在高溫測量領域已有不少關于改善熱加工設備溫度性能的研究。馬偉[7]總結了影響航空制件專用熱處理爐系統精度和溫度均勻性的因素，通過實驗論證了如何運用PID 調節改善溫度均勻性。高偉[8]提出了影響空氣循環爐溫度均勻性的因素及相關改善方法。姚純[9]從加熱系統、控制系統、保溫系統等方面介紹了影響烘箱溫度均勻性的原因及其改善方法。

控制傳感器的位置對烘箱整體溫度性能的影響很大。在工程應用中，對于未知溫度分布情況的烘箱，一般根據工程經驗估計溫度中值位置，將控制熱電偶布置于此點，再結合設備調測過程中的溫度均勻性分布結果，對控制傳感器位置進行修正。在有些復雜情況下，例如烘箱加熱系統、空氣循環系統設計不合理時，需通過優化控制傳感器位置和控制參數來彌補設計的先天不足，否則容易造成溫度過沖、整體溫度分布偏移、歪斜等情況。

目前，已有不少學者利用有限元分析法對復合材料熱壓罐工藝固化成型中溫度場的分布進行研究，例如林家冠等[10]等利用FLUENT 流體分析軟件對航空復合材料構件熱壓罐成型工藝的溫度場和流場特性進行了模擬分析；花蕾蕾等[11]以復合材料構件熱壓罐框架式成型模具為對象，應用有限元方法，分析模具溫度的分布。但目前并無針對航空大型烘箱，利用仿真分析手段改善其溫度性能的相關研究。

鑒于此，本文以航空大型烘箱為對象，通過仿真模擬烘箱內部溫度場分布，為合理布置控制傳感器的位置提供科學依據，進而提高烘箱的溫度性能。

1 仿真模擬

本文以一大型航空零件制造用烘箱為研究對象，烘箱尺寸（寬×深×高）為6 m×4.8 m×4.1 m，有效工作區尺寸（寬×深×高）為5 m×3.1 m×2.5 m，頂部均勻分布著12 個攪拌風機。烘箱殼體采用鋼框架結構，內膛骨架設計斷熱橋，保證良好的絕熱性能；爐體保溫材料采用耐高溫型非石棉保溫材料，保溫層材料厚度不小于150 mm，具有良好的保溫隔熱效果。本烘箱工藝使用溫度范圍：50～85 ℃，本文重點測試烘箱在50 ℃與85 ℃設定值處的溫度性能。

1.1 烘箱物理模型

烘箱是一個雙層薄壁結構，由內膛、殼體組成，為了便于后續CAE 模型的分析計算，需對烘箱進行簡化，處理后的烘箱幾何模型如圖1 所示。

圖1 烘箱簡化后的三維數模

1.2 烘箱溫度場有限元分析模型

為了使流體計算過程趨于穩定，本文對烘箱的熱量交換方式進行簡化：取加熱器所在烘箱側壁頂部為熱量和風的入口，烘箱頂端攪拌風機為其出口。烘箱殼體外壁為絕熱壁，此壁面幾乎與外界不存在熱傳遞；內膛側壁為雙側壁面，即壁面的內外區域均是計算區域，對于此種壁面不需要設定任何熱力學參數，CAE 軟件會根據壁面的材料屬性、流體速度以及溫度自動計算流體與壁面之間的對流換熱系數等熱力學參數，只需設定壁面的厚度材料參數等。利用仿真軟件CFD 提供的網格前處理工具CFDViscart 對CAD 模型計算域進行網格劃分，所生成的網格類型為笛卡爾自適應網格，圖2 為烘箱網格劃分示意圖。

圖2 烘箱的網格劃分

1.3 仿真結果

本文構建的有限元分析模型設定的升溫模式為：30 min 內從室溫15 ℃升至設定溫度50 ℃，當烘箱升至設定溫度后保溫40 min，從升溫開始至結束共70 min。

圖3 為29 min 時烘箱整體溫度場分布情況，選取原因是該時刻處于升溫即將結束而未完全結束階段，可以看出烘箱的溫度分布在310～317 K（37 ℃～44 ℃）之間，烘箱內溫度分布差異較大。差異具體體現在：側壁溫度較高，中上部溫度適中，側邊局部區域溫度較低。圖4 為60 min 時烘箱整體溫度場分布情況，該時刻處于達到設定值后保溫一段時間的階段，可以看出烘箱溫度分布在319～324 K（46～51 ℃）之間，側壁及底部溫度較高，除此之外的中間區域溫度在321～322 K（48～49 ℃），表明該時刻烘箱內部中間區域的溫度場趨于一致。此外，從仿真結果細節可以觀察到，烘箱側壁分布著三條豎直溫度帶，該豎直溫度帶低于側壁整體溫度。該情況與實際情況是符合的：烘箱采用拼接方式搭建，連接處的焊縫容易造成烘箱內溫度與外環境熱交換，導致接縫處溫度低于側面整體溫度，因此分布著三條低于側面整體溫度的豎直溫度帶。

圖3 29 min 時烘箱整體溫度場分布

圖4 60 min 時烘箱整體溫度場分布

根據烘箱內部的熱分布仿真結果可以得出結論：1）烘箱側壁溫度較高，而烘箱內部中間區域的溫度場趨于一致，溫度變化梯度小；2）無論是溫度升溫或保溫階段，烘箱內部中間區域中上部位置處溫度適中，靠近整體溫度場的中值。

2 試驗驗證

2.1 控制熱電偶的選型與位置確定

目前烘箱的溫度控制系統一般采用PLC 程序，控制傳感器將溫度信號采集后輸入主控單元，通過PID 運算得出控制量，再通過調壓模塊來控制電加熱管的加熱，其流程如圖5 所示[12]。在控制傳感器的選型中，由于熱電偶具有測量范圍大、測量精度高、結構簡單、響應時間快、成本低的優勢，因此選用熱電偶作為控制傳感器。

圖5 加熱程序流程圖

在烘箱升溫過程中，控制熱電偶選擇不合理將會極大影響其內部溫度性能，直接表現為：溫度均勻性超出容差。控制熱電偶不合理，包括型號規格與安裝位置兩個方面。控制熱電偶一般為鎧裝廉金屬熱電偶，而測試熱電偶一般采用同分度的易耗型廉金屬熱電偶。由于易耗型熱電偶測量端裸露，響應速率比控制偶更快，在升溫過程中控制儀表的溫度總是滯后于實際溫度，致使整體溫度偏高。因此需要將控制偶布置于合理位置，彌補差異性。若選用外徑更粗的控制熱電偶，會使控制儀表溫度的滯后性更加明顯，容易出現溫度過沖現象。另外，若控制熱電偶位置不合理，當安裝于烘箱內部溫度較高處，會造成爐膛整體溫度偏低；反之，當控制偶位于溫度較低處，則會造成整體溫度偏高。

如圖6 所示為理想狀態下烘箱的溫度曲線變化情況，當控制偶達到設定溫度時，溫度低點溫度很快能夠到達容差下限，經過控制系統一段時間調整，烘箱內所有溫度均在容差范圍內，保持穩定。但是，當控制傳感器選型和位置不合理時，容易出現溫度過沖。如圖7 所示，在升溫過程中控制偶的溫度滯后于烘箱實際溫度，且遠小于烘箱內溫度高點的升溫速率，從而造成溫度最大值超過容差上限。在航空零件制造生產中，溫度過沖現象是不允許發生的。

圖6 理想情況下的烘箱溫度曲線

圖7 控制傳感器不合理造成的溫度過沖

本烘箱采用外徑規格為φ3 mm 的控制傳感器，該種傳感器響應速度快，可以很好地使溫度值反饋至控制系統，避免溫度超差。此外，由于烘箱體積較大，設計為2 區控溫，每個控溫區需裝備1 支控制熱電偶。根據上一章節中對烘箱內部的熱分布仿真結果,可以得出以下結論：1）本烘箱的有效工作區應處于烘箱空間的中部，與烘箱底部、側壁板保持一定距離；2）沿烘箱的前端和后端將有效工作區平均分為控制1 區和控制2 區，控制熱電偶應處于控溫區的中部。考慮到不影響機翼、垂尾等大型零件的擺放，在高度上控制熱電偶應位于控溫區的上部中間部分。

2.2 試驗安排

烘箱工藝溫度容差為±5 ℃，根據高溫測量規范要求，共計布置40 個溫度均勻性測試傳感器，如圖8 所示，現場試驗圖見圖9。其中編號1#和編號2#測試傳感器靠近控制熱電偶，其測量端與控制熱電偶的測量端距離不大于10 mm。本試驗系統所包含的所有測試設備及傳感器符合AMS 2750 規定的現場測試儀器與傳感器精度要求[13]，可保證測試數據的準確性。

圖8 溫度傳感器布置圖

圖9 現場試驗照片

2.3 試驗結果及分析

2.3.1 試驗與仿真結果的比較

根據行業標準，當烘箱內部所有傳感器達到設定值并保持穩定后，數據采集應持續至少30 min，采集間隔不超過2 min。本文以50 ℃為例，分別沿烘箱的X軸、Y軸、Z軸方向各取兩組測試點，將傳感器所采集的溫度數據去除誤差后，計算穩定狀態30 min 期間的平均值，比較測試的平均值與仿真的平均值在空間上的差異。

沿著X軸方向，取編號為8#、18#、29#、39#與6#、16#、27#、37#兩組測試點；Y軸方向，取編號為3#、4#、5#與34#、35#、36#兩組測試點；Z軸方向，取編號為14#、19#、17#與25#、30#、28#兩組測試點，測試值與仿真值的結果如圖10～圖12 所示。

圖10 X 軸方向的兩組測試點對比

圖11 Y 軸方向的兩組測試點對比

圖12 Z 軸方向的兩組測試點對比

從圖10 中可以看出，測試值和仿真值在X軸方向無明顯分布規律，溫度范圍在49.9～50.6 ℃。在Y軸方向，測試值與仿真值較為接近，均顯示出了規律性：沿著Y軸方向，溫度逐漸上升。在Z軸方向，測試值與仿真值的差異明顯，圖4 所示的烘箱整體溫度場分布和仿真值結果顯示：在烘箱的底層，溫度最高，隨著高度增加，溫度值趨近相同；測試值結果顯示烘箱中上層的溫度趨近相同，但是底層溫度最低。

通過上述分析，可以看出仿真結果與試驗結果在空間上的差異不大，差異主要體現在沿著烘箱高度方向，仿真值顯示底層溫度最高而試驗結果相反，但是隨著高度的增加，烘箱的溫度值趨近相同，并且試驗值和仿真結果接近。

2.3.2 不同設定溫度下試驗結果的分析

在設定溫度為50 ℃時，將40 支溫度傳感器采集的溫度數據去除誤差后，得到烘箱內部所有測試點溫度分布情況，篩選兩個控溫區中的溫度最大值和最小值，如表1 所示。

這4 支傳感器的測試值覆蓋了烘箱整體溫度的最大值和最小值，為了便于觀察其內部溫度場的整體分布情況，本文繪制了編號為1#、2#、16#、13#、27#、34#的6 支傳感器溫度隨時間變化曲線。由于1#和2#傳感器在試驗全過程內溫度變化非常一致且與控制系統的跟隨性較好，為清楚分析二者差異，特截取溫度容差范圍下限（45 ℃）開始的數據繪制曲線，如圖13 所示。編號為16#、13#、27#、34#的四支傳感器在試驗全過程時間內的溫度變化情況如圖14 所示。

從圖13 可以看出，編號1#和2#這兩支位于控制點的測試傳感器溫度值在達到穩定狀態后的30 min內（50～80 min），基本維持在50 ℃左右，最大波動不超過0.5 ℃。說明控溫傳感器的位置處于整體溫度中值，利于整體溫度均勻性分布，并且波動性很小，利于整體溫度穩定性，控制傳感器的位置選定非常合理。從圖14 與表1 中可以看出，控溫1 區溫度和控溫2 區的溫度與設定值偏離很小，最大偏離量為1.8 ℃，為容差（±5 ℃）的36%；并且兩控制區對應的最大值與最小值的差值甚至未超出容差帶的30%；另一方面，控制1 區與控制2 區的最大值相差幾乎為零，最小值相差僅為0.6 ℃，且從測試點13#、16#、27#、34#在穩定階段的平均值和方差值也說明了烘箱內部溫度均勻性較好。

圖13 50 ℃控制點傳感器溫度隨時間變化曲線

圖14 50 ℃兩控制區內極值點溫度變化曲線

表1 設定值50 ℃溫度均勻性測試溫度值

為了驗證本文所述仿真方法的合理性，保持所有試驗條件不變，設定試驗溫度為85 ℃，對穩定狀態下的40 支溫度傳感器所采集的實時溫度數據去除誤差處理后，篩選兩個控溫區中的溫度最大值和最小值，如表2 所示。控制1 區和控制2 區的溫度最值點所對應的測試傳感器分別為16#、13#和27#、25#，繪制編號為1#、2#、16#、13#、27#、25#的6 支傳感器溫度隨時間變化曲線，如圖15 和圖16 所示。

圖16 85 ℃兩控制區內極值點溫度變化曲線

表2 設定值85 ℃溫度均勻性測試溫度值

圖15 85 ℃控制點傳感器溫度隨時間變化曲線

從表2 和圖15 可以看出，編號1#和2#溫度值在達到穩定狀態后的30 min 內，基本在85 ℃，最大波動不超過0.5 ℃，與50 ℃時的實驗情況幾乎一致，體現了不同溫度下的復現，進一步驗證了控制傳感器的位置選定是非常合理的。此外，就整體均勻性而言，在烘箱穩定后，13#測試點的溫度曲線與設定點85 ℃差值最大，最大偏離量為2.8 ℃，為容差（±5 ℃）的56%；烘箱有效加熱區內最大值與最小值的差值為4.3 ℃，占容差帶（±10 ℃）的43%，整體波動較小，具有良好的溫度均勻性。

3 結束語

1）本文構建了適用于航空大型烘箱的溫度場仿真模型，根據烘箱內部的熱分布仿真結果，對僅依靠工程經驗確定控制傳感器位置的傳統方法進行了改進，為控制傳感器的合理布置提供科學依據。

2）本文以一臺航空零件制造用烘箱為實驗對象，在其極限使用溫度范圍處進行了溫度均勻性測試，并將試驗結果與仿真結果在空間上的差異性進行了比較分析。此外，通過溫度測試數據分析，烘箱整體的溫度均勻性分布較好，在不同設定條件下有良好復現性，有效工作區內溫度值與設定值最大偏離量不超過容差的56%，最大值與最小值的最大差值占容差帶的43%，證明了利用溫度場仿真分析手段確定控制傳感器位置，從而提高設備溫度性能的方法有效。

3）在后續研究中，可根據烘箱底部實際材料進行邊界條件的精確限制，對仿真模型進行優化。更進一步地，可以考慮將該方法應用于裝載情況下的大型烘箱溫度場模擬，為零件在烘箱中的合理布置提供分析手段。