热模拟技术的应用

1、精选优质文档-倾情为你奉上热模拟技术的应用摘要：本文从物理模拟的角度，阐述了热模拟技术在焊接领域和奥氏体再结晶过程模拟、CCT曲线绘制、疲劳试验等热变形条件下的应用；从数值模拟的角度，阐述了热模拟技术在铸造、电子和电池研发等领域的应用。关键词：热模拟，物理模拟，数值模拟，热模拟应用目前，热模拟技术的研究已经越来越广泛，人们因其直观有效的模拟手段，成熟快速的仿真演算，大量开发并运用于科研和工程设计中。一、关于热模拟技术中的物理模拟和数值模拟热模拟技术分为物理模拟和数值模拟。物理模拟是通过实验室物理实验模拟真实物理过程的方法。将实际地形物理的缩小模型置于实验体（如风洞、水槽等）内，在满足基本相似条

2、件（包括几何、运动、热力、动力和边界条件相似）的基础上，模拟真实过程的主要特征，如空气动力规律和扩散规律。数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为手段，利用一组控制方程（代数或微分方程）来描述一个过程的基本参数的变化关系，采用数值方法求解，已获得该过程（或一个过程的某一方面）的定量认识。在实验中，一般只能获得有限点上的测量值。物理模拟的结果一般不能用外推法，而且模拟的准确性及普遍性依赖于必要的测量手段和模拟的相似条件，这对于复杂的热加工工艺有时很难实现。而数值模拟能提供整个计算域内所有有关变量完整而详尽的数据，因此，热加工中很多过去难以用物理模拟机分析方法求解的非线性问题可以在计算机上涌数值方

3、法获得定量结果。然而，某些热加工工艺由于工艺因素的错综复杂，目前尚缺乏全面描述其过程的理论公式，必须依赖物理模拟获得对过程的主要影响因素和缺陷形成机理的认识才能建立合理的数学模型。同时，数值模拟的合理性和可靠性也要靠物理模拟的定量测试结果来检验。由此可见，数值模拟与物理模拟具有不容的特点和应用范围，两者具有互补性，物理模拟是数值模拟的基础，数值模拟是物理模拟的归宿，只有将两者有机地结合起来，才能更有效地解决材料科学与工程中的复杂问题，获得符合实际的研究结果。二、物理模拟技术的应用对材料和热加工工艺来说，物理模拟技术通常指利用小试件，借助于某种试验装置再现材料在制备或热加工过程中的受热或同时受热

4、与受力的物理过程，充分而精确地暴露与揭示材料或构件在热加工过程中组织与性能变化规律，评定或预测材料在制备或热加工时出现的问题，为制定合理的加工工艺及研制新材料提供理论指导和技术依据。物理模拟技术的发展与物理模拟试验装置的不断完善紧密相关。随着物理模拟技术水平的提高，不同功能的热/力模拟试验装置不断研制开发。目前，在冶金领域中得到广泛应用的是美国DSI科技联合体的Gleeble系列热模拟试验机。随着钢铁行业对新产品开发和工艺优化需求的提高，Gleeble系列热模拟试验机的功能不断得以完善，如图1。图1 Gleeble 3800热模拟试验机2.1 物理模拟技术在焊接领域的应用由于焊接热影响区的组织

5、及性能对焊接接头的质量有很大的影响，因此深入研究热影响区中的各区段组织性能是非常必要的。然而热影响区中的各区段非常狭窄，很难单独取出进行相应的试验研究。采用热模拟技术，就可以在一定尺寸的试件上，模拟焊接热循环及焊接应力应变对焊接热影响区中某个区段的影响，从而研究该区段的组织及性能的变化规律。该项技术的应用可分为：2.1.1 研究焊接热影响区不同区段的组织及力学性能由于焊接过程中，焊接热影响区的各个部位经历了不同的热循环，因此，各个部位的组织不同，强度及塑性指标也不相同。只要测出所要研究点的热循环曲线，将其输入到焊接热模拟试验机内，对相同材质的试样进行加热及冷却，然后从该试样中加工出力学性能试件

6、，就可测得所要研究点的力学性能数据。这项研究对了解过热区的组织及性能非常重要。2.1.2 研究焊接热影响区的粗晶脆化首先测出实际焊接接头的粗晶区热循环曲线，并将其输入到焊接热模拟试验机内。对相同材质的试件进行与该粗晶区相同的加热及冷却过程，在这些试件上制取冲击试样，进行冲击试验，从而得到粗晶区的冲击韧度。也可制成COD试样，进行断裂韧度试验。通过以上试验工作，可研究粗晶区组织、性能与焊接工艺参数之间的关系，为获得优质的接头提供最佳工艺参数。2.1.3 研究焊接热影响区的热应变脆化首先将试件加热到通常产生热应变脆化的温度，再施加一定的塑性应变值（如1%5%）。试件冷却后，制成冲击试样或COD试样

7、进行试验。采用这种方法可以研究金属材料焊接的热应变脆化倾向。2.1.4 研究冷裂纹、热裂纹、再热裂纹及层状撕裂的形成条件及产生机理在试验机上对试件进行与实际焊接过程相同的热过程模拟、应力及应变过程的模拟及其他条件的模拟，从而研究该材质在模拟焊接的情况下产生焊接裂纹的倾向，这对深入研究裂纹的产生机理及防止措施有重要的实际意义。例如：为了模拟焊接冷裂纹的淬硬组织、氢的聚集、拘束应力等三个因素，利用焊接热模拟试验机对试样进行按照给定程序的加热及加载，试样加热到峰值温度后，冷却到900左右时，对试件进行恒温充氢，然后按规定的冷却速度冷却。在冷却过程中，控制其应变和应力，保持一定时间后，检查是否产生裂纹

8、。通过上述试验，即可研究冷却速度、吸氢时间、应力值、延迟时间等因素对裂纹产生的影响，从而可以获得临界冷却速度、临界氢含量、临界拘束应力等指标。进而可以深入研究冷裂纹的敏感性，提出最佳焊接工艺参数等。2.1.5 绘制焊接连续冷却转变图（SHCCT图）利用焊接热模拟技术，对金属材料测定并绘制SHCCT图，对于制定合理的焊接工艺方案、判断工艺参数的可行性，以及获得优质的焊接接头具有重要的应用价值。这不仅可以节约大量的人力、物力、试验量，而且在工艺参数制定后不必进行实际焊接即可进行焊接热影响区组织性能的判断。此外，焊接热模拟技术还可以应用于金属材料的热强性、热塑性、热疲劳、高温蠕变、动态再结晶等方面的

9、研究工作。冶金工业中的铸钢高温流变行为、连铸钢的高温力学性能以及变形速度对不同温度下材料强度的影响，模拟轧制、模拟锻造工艺等方面也成功地应用了焊接热模拟技术。总之，焊接热模拟技术不仅用于热影响区各区段组织性能的研究，也可应用于材料科学的许多领域;不仅应用于各类钢材，还可以应用于有色金属、铸铁、陶瓷与金属等异种材料等项研究中，他是材料科学研究中的重要手段之一。2.2 物理模拟技术在金属热变形领域的应用2.2.1 热轧制过程奥氏体再结晶模拟奥氏体再结晶过程在控制轧制过程中占有重要的地位。人们可根据再结晶图合理确定工艺制度，包括加热温度、开轧温度、终轧温度及各段温度中的变形量和奥氏体化再结晶区轧制的

10、变形量，并且确定轧后冷却制度。准确地制定热轧工艺首先要考虑变形过程中金属组织的变化规律。这一过程的模拟是采用圆柱形试样（流变应力试验）或板状试样（平面应变试验），利用热加工模拟试验机控制道次变形量、变形温度、变形道次间隔时间、变形速率及进行多道次变形的功能来完成的。用水淬保留其瞬间的金属高温组织，配合金相观察确定动态再结晶的工艺条件。用热模拟试验机进行变形，在不同条件下得到应力-应变曲线，测得的c是奥氏体发生动态再结晶的临界变形量，s是奥氏体完全动态再结晶的变形量，根据不同变形温度及不同变形速度求出一系列点，作出动态再结晶图。以下是对B级船板钢的试验研究结果。图2是10mm×12mm

11、圆柱形试样的热模拟流变应力试验装置简图。图3是热变形工艺图。图4是B级船板钢奥氏体动态再结晶图。图2 流变应力实验装置图3 热变形工艺图4 B级船板钢奥氏体动态再结晶图图3中c曲面以下为不发生动态再结晶的工艺范围，c和s曲面之间为发生部分动态再结晶的区域。图3表明，如果变形工艺参数控制在s曲面以上的话，可以获得明显的奥氏体动态再结晶细化的晶粒效果。2.2.2 相变温度测定及CCT曲线绘制热膨胀法利用热加工模拟试验机对试样在奥氏体化后或者热变形后以不同冷速进行恒速冷却，测量出试样的一组温度-膨胀量变化曲线。根据这组曲线上的拐点来确定钢的各种相变温度（Fs，Ff，Ps，Pf，Bs和Ms），将这些温

12、度描绘在以温度-时间（对数）为坐标的冷却曲线上然后连接起来，便得到该钢种的连续冷却转变（CCT）曲线。CCT曲线可为制定合理的热处理工艺提供可靠的基础数据。以下是对82B高线钢CCT曲线的测定试验。82B钢的化学成分w(%)：0.85 C，0.25 Si，0.81 Mn，0.017 P，0.016 S。图5和图6是6mm×120mm圆棒形试样和热膨胀试验装置简图。图7是绘得的82B高线钢CCT曲线，从图中可以看出奥氏体在不同冷速条件下向珠光体的转变过程。图5 圆棒试样图6 热膨胀试验装置图7 82B高线钢CCT曲线原始状态轧制：奥氏体化900×60s2.2.3 热轧制过程变

13、形抗力测定制定一个合理的热轧生产工艺，除了要把握好金属组织的变化特征外，计算并合理分配热轧过程的力学性能参数也是不可缺少的。利用热加工模拟试验机可以准确地测定并绘制试样变形过程的-曲线，用此来研究工业轧制条件下变形温度、变形量、变形速率、冷却温度、冷却速度等工艺参数及钢材本身的化学成分和热轧过程各道次的变形抗力的相互关系。以下是对五种低合金钻杆钢变形抗力的测试研究。图8和图9是测得的真应力-真应变曲线。图8 不同轧制温度下12Cr1MoV钢的真应力-真应变曲线图9 860轧制温度下五种钢的真应力-真应变曲线从图中可以看出钢中合金元素及其含量的不同和轧制温度的变化，对变形抗力的影响规律是较明显和

14、直观的。2.2.4 钢的热疲劳试验对车轮钢进行不同制动条件的热疲劳模拟试验，测定热应力状态和大小，分析热应力对热疲劳裂纹的影响。图10是截面为5mm×6mm矩形的等截面和线切割缝两种试样热疲劳试验装置简图。图11是热疲劳试验工艺图。图12是车轮钢热疲劳试验应力曲线图。图10 热疲劳试验装置图11 热疲劳试验工艺图图12 热疲劳试验应力曲线图热疲劳试验结果表明，车轮钢在升温时产生热膨胀压缩应力，冷却时产生热残余拉伸应力。热循环疲劳的峰值温度越高、约束程度越大和线切割缝的存在都使热疲劳寿命缩短。车轮在制动过程中，热循环载荷形成踏面热裂纹。2.2.5 超塑性研究利用物理模拟试验技术，可以方

15、便地进行材料超速变形的模拟研究。这是由于物理模拟实验设备不但可提供精确的加热温度，更主要的是可以方便地调节与控制拉伸速度，使得试样变形过程中变形速度（真应变速率）保持不变。2.3 物理模拟技术在连铸领域的应用图13及图14 分别示出了这种试验方法的试件装配图和喷水冷却时热流方向示意图，它比较形象地模拟了连铸时铸坯的形状、受力状态与冷却方式。上表面喷水（或喷气）是为了模拟连铸工艺二次冷却并获得与表面相垂直的柱晶生长。试样两端的销钉孔用于固定支点，对试样施加载荷。试验时，用坩锅或石英片将试样中间熔化部分支撑住，以防钢液的流出，铂-铂铑热电偶焊在试样的底部。试样熔化后，先喷气在试样表面形成一薄壳，随

16、即迅速喷水。在试样凝固过程中或凝固后继续冷却到矫直温度时，可根据试验要求对试样加压或拉伸。压缩时，试样上表面将产生拉应力；拉伸时，试样下表面产生拉应力。冷到室温后，检查试样表面是否有裂纹或裂纹数量的多少，进而评定该钢种在连铸时的裂纹敏感倾向。图13 连铸模拟试样装配图图14 连铸模拟喷水冷却示意图三、数值模拟技术的应用1960年，美国克拉夫(Clough)首先提出了有限单元法(finite element method, FEM)，为把连续体力学问题化为离散的力学模型开拓了宽广的途径。有限单元法属于力学分析中的数值法，它是把一个连续的介质（或构件）看成是由有限数目的单元组成的集合体，在各单元内

17、假定具有一定的理想化的位移和应力分布模式，各单元间通过节点相连接，并藉以实现应力的传递，各单元之间的交接面要求位移协调，通过力的平衡条件，建立一套线性方程组，求解这些方程组，便可得到各单元和结点的位移、应力。简言之，就是化整为零分析，积零为整研究。有限元法(FEM)是一种非常有效的数值计算方法，在工程界得到了普遍的拥护，许多专家学者和技术人员都在使用。经过几十年的不断发展，有限元法从建立模型、计算结果到程序的最终实现，都有了大幅度的进展。特别是近些年计算机软硬件技术的飞速发展和有限元分析软件的不断改进，有限元法的分析功能和分析效率也有很大的提高，特别在结构工程、结构力学、温度场研究中，有限元法

18、更是一种必备的分析工具。3.1 铸造成型的热模拟从20世纪60年代开始，铸造领域的数值模拟经历了一个从宏观模拟到微观模拟的过程:从最初的温度场模拟、流动场模拟，到应力场模拟以及组织模拟。到20世纪90年代末，铸造凝固过程温度场、流动场数值模拟技术日趋成熟，铸造CAE商品化软件功能逐渐增强，普遍增加了三维流场分析功能，大大提高了模拟分析的精度。1989年，世界上第一个铸造CAE商品化软件-MAGAMsoft在德国第七届国际铸造博览会上展出。二十世纪%年代以来，铸造CAE商品化软件功能逐渐增强，普遍增加了三维流场分析功能，大大提高了模拟分析的精度。但是，由于铸件三维应力场问题复杂、算法难度大，当时

19、认为很难在微机上实现。1993年，日本丰田汽车公司在荷兰的第60届世界铸造会议上发表了用大型计算机进行发动机缸体及轮毅三维残余应力分析的文章，标志着铸造凝固过程应力场模拟仿真分析朝着工程实用化迈出了一大步。目前，德国MAGAMsoft等商品化软件已具有三维应力场分析功能。最初，它采用FDM/FEM联合分析的技术路线，即用FDM分析流动场、温度场，用FEM来分析应力场。其中FEM采用商品化的有限元分析软件。现在，正全部改用FDM技术。其它CAE商品化软件的应力场分析绝大多数也采用FEM方法，如美国的Procast，但模拟分析的准确度有待进一步提高。计算机辅助分析又叫计算机辅助工程(compute

20、r Aided Engineering，简称CAE)，是计算机在铸造行业中应用的一个重要领域。一般来说，它通过建立能够准确描述研究对象某一过程的数学模型，采用适当的可行的求解方法，在计算机上模拟研究对象的特定过程，分析有关影响因素，预测这一特定过程的可能趋势与结果。铸造过程数值模拟技术便属于典型的CAE技术。3.2 电子组件的热模拟随着电子组件集成度的提高，单位体积内的热耗散程度越来越高，导致发热量和温度急剧上升，由于热驱动引起的机械、化学、电气等可靠性问题越来越严重，严重影响了产品的质量和可靠性。由于影响电子组件温度分布的因素复杂，包括电子组件结构、材料参数、组件内功率器件的分布、环境条件等

21、，传统的数值分析方法往往无能为力。随着计算机技术的发展，利用有限元模拟的方法由于具有计算能力强，时间短等优点，越来越得到人们的重视。美国世界上最成功的电子器件可靠性研究中心之一，美国Maryland大学的CALCE，以及NSF的功率电子系统研究中心自1994年起开展了多项大功率电子组件热管理的研究课题，有限元热模拟技术成为国外提高热设计水平的有效工具。在热分析模拟领域，ANSYS有限元分析软件的热分析模块能计算包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式在内的传热问题。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题，提供了强大热分析计算功能，可处理传导、对流和辐射热传递并可以进行稳态、瞬态、线性和

22、非线性分析，成为有限元热模拟软件的主流。以国内某研究所生产的大功率DC/DC电源组件为例。ANSYS电子组件热设计主要步骤如图15所示，分为建模、施加载荷、求解以及后处理。图15 ANSYS有限元分析流程图3.3 镍氢电池的热模拟采用了三维镍氢电池整体模型，对镍氢电池的温度场进行模拟分析，使用 Fluent 软件求解的过程。（1）几何模型的假设对于极堆而言，不再分成一个一个单体，而是将整个极堆拟合为一个整体来考虑，其具有新的物性和形状；对将极耳和正负电极连接起来的金属片而言，根据同极堆简化的同样道理，将其拟合成具有相同物性的极耳条，同样其物性参数取当量值；极耳连接出电极后，各片之间紧密相靠，形

23、成一个整体，厚度为各片厚度之和；空腔内充满氢气。（2）物理模型的假设电池内部工作的物理过程简化如下：对电极反应的电化学过程仅考虑热累积与传递；由于恒容，忽略电池内部氢气的微小流动，同时忽略电解液对流换热和内部各组件之间的辐射换热，因此电池内部的热量传递仅考虑热的传导作用；将氢气视为理想气体，则可忽略由于氢气密度变化引起的比热和导热系数的变化，而视其为定值；假设放电过程中，无明显的副反应发生；由于镍金属的电导率很大，忽略极耳上电流通过产生的欧姆热；忽略极耳导出壳体后由于密封和热传导和其它作用等导致的热边界条件的变化，仍取此处边界条件为绝热；忽略焊接环和壳体之间焊接处可能存在的热阻，忽略电池堆内部

24、各组件之间的连接造成的热阻。（3）模拟参数设置根据所做的假设和单体的结构因素，镍氢电池计算机模拟的主要参数设置如下面所述。各个区域初始温度均为293K，不考虑极堆内部氢气的流动，只考虑上下腔体和内径中的氢气流动，考虑氢气的密度变化，热源为整个电堆。整个电池的外界温度恒定，绝热。模拟结果1400s时如图16。图16 1400s时温度分布图3.4 武器装配中内弹道学的热模拟内弹道学中，连续射击时枪膛内部持续高频率的热冲击加剧了枪管内壁的热腐蚀，导致铬层破裂，枪体金属变形。严重时，甚至会造成枪管的胀膛和破裂。然而，射击过程中的枪膛内部高温气流的运动和热传导过程很难被监测。如何低成本、快捷地研究射击时

25、的管内部热现象以及预测热腐蚀程度和潜在炸膛危险，为设计和改良枪管提供必要保障？有限元热模拟技术解决了这一难题。热模拟作为研究器件热性能领域最为简便有效的方法，被国内外研究机构和学者广泛采用。热模拟方法是建立在对热模型进行数值分析的基础上的，因此热模型和数值分析方法是热模拟的关键内容。有限元既可建立2D模型也可建立3D模型，其理论基础更加贴合传热机理。建立针对不同型号枪炮内弹道的有限元温度场模型和分析方法，为枪管设计改进提供了参考，也为枪管的寿命计算提供了依据。同时，在精细的有限元模型下还能够预测采用不同材料所制作枪管的热响应，对管体材料的选择具有实际指导意义。此外，受高温高压火药气体、枪管温度等影响，枪体内弹壳易产生断壳故障。通过有限元热应力的分析能够找到断壳与结构设计及热应力之间的关系，从而进行改进设计。四、物理模拟和数值模拟的联合应用伴随着计算机科学及现代控制理论的发展，物理模拟、数值模拟的联合应用作为新的研究方法和技术工具已经在新材料研制及材料热加工工艺领域得到日益广泛的应用，从而使材料科学的研究深度和广度实现了划时代的飞跃，从经验走向了定量分析。物理模拟与数值模拟的联合应用，对于促进热加工基础理论的研究，透彻地掌握其内在规律将起到重要作用。例如，金属锻件塑性成形过程是在高温、高压及复杂应力、应变条件下进行的复杂的热力学过程，涉及弹性力学、金属学、热力学