结晶器三维温度场可视化系统实现

连铸漏钢是连铸生产工序的主要故障之一.目前,漏钢预报系统仅根据有限的温度采集数据随时间变化的二维曲线,操作人员无法了解采集点外区域的温度情况.本文主要介绍了三维温度场可视化系统的组成和实现方法.通过分析结晶器铜板的传热原理,建立热传导温度模型,确定边界条件.与实测温度值相比较,数值结果表明温度场模型的有效性.根据温度场模型的计算结果,用Microsoft Visual C+ + 6.0工具和有限元分析软件ANSYS开发了结晶器三维温度场可视化系统,作为漏钢预报的辅助判断手段和分析决策平台.     

热冲压过程传热耦合研究*

提出一种新的思路解决热冲压过程的传热耦合模拟。板料和模具之间的界面传热系数借助圆柱形冲压试验数据并通过有限元优化反算的方法获得,将获得的界面传热系数(Interfacial heat transfer coefficient, IHTC)引入到ABAQUS的U形冲压模型中,进行单次热冲压模拟,得到一个冲压周期内模具表面任意节点的热流密度曲线。通过调用SAS程序求得模面任意节点对应的时均热流密度,将每个节点的时均热流密度和笛卡儿坐标系下的空间坐标对应关系引入到STAR-CCM+中作为模具淬火传热模拟的第二类边界条件。接着通过网格数据映射将稳态淬火模拟得到的模具温度场,水道壁表面传热系数(Film heat transfer coefficient, FHTC)和壁面冷却水温度重新导入到ABAQUS的冲压模型中进行新的热冲压模拟,此时的热冲压过程即同时实现板料-模具的界面传热和模具-水流的表面传热的稳态模拟。设计并制造仿真中使用的U形模具进行连续热冲压试验,采集特征点的稳态温度,与仿真结果进行对比。结果表明：耦合后的板料和模具的最大温度和未耦合的单次冲压相比升高近一倍,温度分布沿着水道进口向出口方向发生迁移。耦合后的板料和模具特征点温度与达到稳态的试验采集温度误差均小于10%。     

结晶器内钢水涡流流动对凝固传热和力学性能的影响

赋予浸入式水口新的功能:在浸入式水口内腔放置X形导流片,使得从中间包进入结晶器的钢水为旋转的涡流流动。通过对165 mm×165 mm方坯连铸结晶器内钢水流动和凝固传热耦合数值分析,证明X形浸入式水口浇注时,冲击深度减轻,温度场分布均匀。工业性试验表明X形浸入式水口浇注时能改善铸坯低倍组织和力学性能。     

连铸结晶器传热边界条件研究

在对结晶器传热数学模型中广泛使用的给定铸坯与结晶器界面间热流密度以及给定铸坯与结晶器界面间传热系数两种不同形式的传热边界条件进行分析与综合的基础上，提出把传热系数形式的传热边界条件式转换为热流密度形式的传热边界条件式的方法。利用传热系数公式中的已知热阻，结合结晶器的热平衡条件，计算热流密度公式中的系数，使原来必须由实测确定的系数成为两个容易计算的量，为确定热流密度形式的传热边界条件式和简化计算提供了便利条件。计算实例表明，在不具备实测条件的情况下，结合目前对传热系数的研究成果，所提出的方法能方便且准确地确定热流密度形式的传热边界条件式。     

超声激励下的裂纹区域温度缺陷信号特征分析

以平板类试件贯穿裂纹为研究对象,采用超声脉冲作为激励源,对裂纹区域温度空间分布规律和温度随时间变化规律进行了分析研究.首先建立了裂纹区域热传导模型,再通过对其在二维平面内的传热及温度分布进行仿真,将缺陷生热模拟成脉冲热源,分析了超声激励下裂纹区域温度峰值与热量的变化情况.然后总结出温度空间与时间分布特征,并提出了裂纹区域温度缺陷信号判断标准,最后通过实测数据验证了温度时间空间分布特征及判断标准的有效性.     

方坯连铸模拟过程中结晶器水缝处的简化处理

通过分析方坯连铸过程中结晶器水缝处温度场分布的特征,研究了结晶器温度场模拟过程中对水缝处的简化处理。     

低碳微合金钢中厚板表面裂纹形成原因分析

分析了中厚板表面裂纹形成的原因.结果表明:中板表面裂纹是连铸坯表面裂纹的遗传,连铸结晶器内坯壳不均匀是导致裂纹产生的根本原因.通过降低C含量、更换镀层结晶器等措施,取得了良好的效果.     

圆柱滚子轴承外圈轴向温度分布研究

以圆柱滚子轴承为研究对象,建立了轴承外圈滚道的局部传热模型,用热流网络法分析了轴承外圈的轴向温度分布情况。通过算例分析了不同工况对外圈轴向温度分布的影响,结果显示轴承外圈温度随着转速和载荷的增大而增大,外圈表面温度沿轴向分布相差不大。     

新型薄板坯连铸结晶器内腔形状设计

由于结晶器内坯壳应变至断裂主要是受应变速率的影响,应变速率的增大或突变均会使临界应变值降低,因此必须控制坯壳变形过程中的应变速率。基于此,根据薄板坯连铸结晶器内凝固坯壳收缩的特性,设计开发一种新型薄板坯连铸漏斗形结晶器。其特点是漏斗区曲线曲率连续变化,曲率变化率小且恒定,铸坯应变速率不突变,改变已知漏斗形结晶器内腔组合曲线的G1连续为G2连续。创建结晶器漏斗区横、纵向曲线的表达式,并根据坯壳凝固收缩特性和变形机理编程计算构造漏斗区曲面。建立新型漏斗形结晶器内铸坯的热力耦合有限元模型,分析计算宽面坯壳表面应力分布,并与进口技术进行对比。结果表明,结晶器坯壳表面应力水平下降20％,特别是在现有技术生产的铸坯易发生裂纹处,坯壳应力下降更加显著,应力下降达35％。因此该技术能够有效地减小铸坯裂纹形成机会,提高铸坯质量。     

外热式自然循环蒸发器的流动传热模拟

为了进一步研究外热式自然循环蒸发器换热管内的流动和传热规律,本文采用Mixture多相流模型对自然循环蒸发器进行了数值模拟。模拟结果发现管内温度在沸腾点之上沿轴向呈线性分布,热流密度对沸腾高度、沸腾点温度和传热温差影响较大,对循环速度的影响不大。模拟结果与实验数据相吻合,可以为自然循环蒸发器的研究和设计提供指导。     

铸件和铸型间界面传热系数的试验研究

在铸造凝固过程的数值模拟中,铸件/铸型间的界面传热系数是非常关键的一个参数.为提高数值模拟精度,文中采用铝合金铸件设计了金属型铸造试验,考虑了铸型厚度对结果的影响,使用特制的热电偶采集了铸件内部不同位置的温度值.以此实测的温度场数据为基础,结合数值模拟技术和界面传热系数“反问题”的求法,得到界面传热系数与时间的函数关系.结果表明:铸型厚度不同会影响铸件铸型间的热流和界面传热系数的变化规律,且界面传热系数在铸件冷却中并非常数,随着凝固过程的继续而减小.最后将所得界面传热系数用于凝固过程的温度场模拟,与试验结果进行了对比分析,得到了合理的分布,说明此界面传热系数测定方法可行.     

金属铸造界面传热系数的试验研究及其确定

金属铸造凝固过程中,在接触界面间会产生热阻.热阻的大小随空间和时间变化,常常主导着热传导的过程,通常将热阻的影响表示为界面传热系数,在温度场数值模拟中,铸件与铸型间的界面传热系数是关键的参数.利用有限元分析软件ANSYS结合试验数据,模拟了铸造凝固过程的温度场,分别考虑了不同界面传热系数对模拟结果的影响,并将模拟数据与试验结果进行了比较,发现了金属型铸造界面传热系数随时间变化的规律,以及铸件与铸型的接触位置对界面传热系数的影响.     

低压铸造薄壁板件的流动与传热耦合数值模拟

采用 VOF法处理自由表面 ,达西源项法处理固 -液两相区流动 ,开发了铸造过程流动与传热耦合数值模拟软件。通过对流场及温度场分别采用不同的计算域和时间步长 ,大大提高了计算效率。利用该软件模拟了一薄壁板件的低压铸造过程 ,并进行了实验验证。数值模拟结果表明 ,对薄壁件而言 ,充型过程的流动对铸件初始温度分布影响较大 ,但充满后的残余流动对温度分布影响较小     

基于结晶收缩特性的连铸矩形坯成形曲线研究

针对传统连铸结晶器效率低、拉坯速度慢、铸坯表面及形状缺陷等问题,设计并加工了一种高效、高速、高质(Efficient,speedy and quality, ESQ)连铸结晶器内腔形线。基于矩形坯结晶器内传热和结晶收缩行为特性,推导并建立了结晶器铜管内腔形线几何模型,运算得到形线曲线表达式和锥度表达式。根据连铸坯热交换收缩组成模型,针对高碳钢材料大矩形坯规格修正原模型及表达式,将优化结果与钢厂传统形线对比分析。依托Matlab/GUI二次开发了结晶器形线尺寸输出系统,为现有钢厂设计并加工了230 mm×170 mm断面U71Mn钢种结晶器芯棒和铜管,保持其他连铸条件基本不变,使现有连铸机拉坯速度从1.1 m/min提高至1.6～1.7 m/min。结果表明,得到的连铸坯产品表面质量与原产品相近,且并无形状缺陷,验证了模型计算的合理性和正确性。相比于传统连铸结晶器内腔形线,新形线曲线提高了结晶器的换热效率,且保证了铸坯质量,这为增加连铸坯产量提供了基础。     

非均匀热流下功率模块微小通道热沉传热特性研究

针对飞行器大功率电动舵机伺服系统功率模块内各器件发热损耗不同引起温度不均的问题,开展非均匀热流下微小通道热沉传热特性分析。依据功率模块三相桥电路的实际构型和工作特点,在数值计算方法和网格无关性验证基础上,利用FLUENT建立多种结构微小通道热沉的数值模型,对冷却通道在高、低热流区的典型周向传热特性及热沉总体性能进行探讨。研究发现,相同通道截面下,各通道圆周方向壁温呈非均匀分布,但不同通道的相同位置处局部传热系数较为一致;对于等流通面积的变截面冷却通道,通道数量及结构对局部传热影响突出。非均匀热流分布和通道流向、通道构型相匹配有助于改善基底均温性,渐缩通道构型和小截面多通道构型强化传热优势明显,具有较低热阻和较好均温性。     

钢管控制冷却物理模拟平台的建立及传热边界条件的确定

目前关于钢管控制冷却的研究没有专门针对其关键问题传热边界条件进行深入分析。为此基于钢管热机械控制工艺实际,建立钢管控制冷却全尺寸物理模拟平台,测定28CrMoVNiRE油井管在水量11.4 L/min、气压0.2 MPa,水量11.4 L/min、气压0.3 MPa和水量18.0 L/min、气压0.3 MPa三种不同气雾控制冷却条件下的冷却曲线,通过反传热法计算钢管表面的热流密度和换热系数,分析钢管在气雾控制冷却条件下的传热边界条件。结果表明,影响钢管气雾控制冷却传热的关键因素是气水混合比,其最佳值为6～7;换热系数随温差ΔT的下降依次经历高温慢速增加阶段、中温稳定阶段和低温快速增加阶段。采用有限元正算法,验证了反传热计算结果的可靠性。钢管控制冷却后细化的微观组织验证了气雾控制冷却物理模拟技术的可行性。钢管控制冷却传热边界条件的确定对于实现钢管在线气雾控制冷却工艺具有重要的指导意义。     

异形坯连铸离线动态二冷控制模型的研究与开发

针对异型坯连铸二次冷却过程,基于凝固传热理论建立其二维凝固传热模型,采用非等间距网格离散空间区域,采用显式有限差分算法离散传热方程。以铸坯温度为控制目标建立了PID反馈控制模型。应用Visual Basic 6.0程序设计语言,开发了连铸二冷区离线动态配水控制软件,在铸坯拉速、浇铸温度和钢种发生变化后,该配水控制软件能够对进入二冷区的铸坯信息实行全程跟踪、记录、显示并动态地分配二冷各区的水量,保持铸坯温度分布的稳定。该软件界面友好、通用性强,运行结果证明其控制效果良好,从而为异型坯二冷水量实时动态控制系统的开发奠定了基础。     

基于ANSYS的无人机机身模具三维热分析

某无人机复合材料机身结构是由模压固化成型的。模具在固化过程中的温度分布不均匀和模具变形会影响到机身结构的变形,为控制机身成型质量,就要了解模具在成型过程中的温度分布和变形情况;基于ANSYS软件,采用1/2对称模型,模拟了机身下模具在加热、保温阶段的温度分布和瞬态温差,直观显示了模具在各时刻的瞬态应力分布和变形情况,为优化固化工艺和模具设计提供依据。     

基于储热释放的方形锂电池内部热参数测试

方形锂电池是卷芯和外壳组成的非均质结构,卷芯导热系数及其与外壳换热系数是影响散热的关键参数,目前缺乏直接测试方法。提出利用电池储热构造热源,通过冷却面温度变化触发非稳态传热,使用热成像记录外壳温度沿传热方向空间分布及其时间演变,代入三维非稳态传热反演模型,同时计算卷芯面向、纵向导热系数,以及卷芯与外壳底部、最大面换热系数。搭建测试装置,对两种方形锂电池进行多次实验检验重复性,卷芯导热系数测试相对标准差在5%～10%之间,对3种非均质标准样品测试检验准确性,相对偏差小于5%。该方法提供一种适用于非均质样品传热特性实验评估的手段,修改样品模型后也可用于圆柱形锂电池等其他非均质样品。     

Quadratic curve heat flux distribution model in the grinding zone

In order to estimate temperature distribution and the influence of grinding parameters on grinding temperature in the grinding zone, a theoretical model used for calculating and simulating the grinding process must be established. Many simplified heat source models developed previously have some errors compared with the actual heat flux to the workpiece. Therefore, based on the triangular heat flux distribution model and temperature distributions measured, an inverse method for the heat transfer mechanism in the grinding zone was investigated and a quadratic curve heat flux distribution model was developed to determine the heat flux distribution and predict the surface temperature of the workpiece. From the theoretical expression of heat flux to the workpiece, it has been found that the quadratic curve heat flux is the superposition of square law heat flux, triangular heat flux, and uniform heat flux in the grinding zone. By comparison of theoretical analysis with the experimental results, it has been demonstrated that the solution using a quadratic curve heat flux can improve the grinding model by decreasing the error, although the uniform and triangular heat fluxes can explain the condition of the heat flux to the workpiece along the grinding zone.