[发明专利]一种铸造过程中界面换热系数的测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及界面换热系数的测定方法，具体为一种铸造过程中界面换热系数的测定方法。

背景技术

铸造因其毛坯近净成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了制作时间，是现代制造工业的基础工艺之一，也是目前应用最广泛的加工成型方法之一，在国民经济和国防建设中起着非常重要的作用。近年来，随着计算技术的发展，数值仿真已经成为铸造凝固过程控制、工艺设计及提高铸件产品质量和性能的有效手段，铸造工艺的设计逐步从经验走向科学。在目前商业有限元软件相对较成熟的前提下，模拟仿真所使用的材料物性参数和边界条件与实际情况的差别大小就成了影响模拟精度的关键因素。而作为主要边界条件之一的界面换热系数的精准确定已成为铸造凝固过程仿真研究中目前急待解决的难题。

计算机数值模拟技术的精确性对于边界条件有着很强的依赖关系，边界条件的稍作修改可能会导致计算结果产生本质的区别，从而直接影响了后续的分析和研究，尤其在以界面换热系数作为边界条件的数值模拟问题上，这种影响就更加明显。而铸造过程中界面换热系数因为它在铸造凝固过程中受到很多因素的影响，例如浇铸温度等工艺条件、冷却条件、界面接触状况以及相变时的潜热等，这些因素相互作用和影响，使得准确测定界面换热系数非常困难，目前在数值模拟过程中，研究者主要是通过试错法不断地调整工件与模具间界面换热系数值使数值计算和实验测量的温度场逼近来确定其值，不仅效率低，而且精度很难得到保证。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种铸造过程中界面换热系数的测定方法，从而解决现有技术中存在的金属铸造冷却凝固过程中，界面换热系数难以准确确定的问题。

为实现上述目的，本发明采取如下方案：

一种铸造过程中界面换热系数的测定方法，通过在铸型和型腔内部分别放置热电偶，测得的数据输送至温度采集仪及计算机，得到界面换热系数；其中，在铸型和型腔内部靠近铸型表面1mm-5mm的位置分别放置直径为0.1mm-0.5mm型热电偶，热电偶插入到铸型内与铸型型腔内的一端都由2.0mm-10mm的陶瓷管保护；

热电偶测得的数据通过温度采集仪输入计算机，首先通过铸型或铸件内部已知的温度数据来计算界面热流量，然后运用反传热算法计算界面的换热系数。

反传热问题与正传热问题相反，反传热算法的计算过程是通过铸型或铸件内部已知的温度数据来反算不知道的边界条件。采用反传热算法计算界面换热系数时，首先通过铸型或铸件内部已知的温度数据来计算界面热流量，再通过公式(1)计算界面的换热系数。

h＝q/(T_casting-T_chill)h＝q/(T_casting-T_chill)      公式(1)

h是界面换热系数(W m^-2K^-1)

q是界面热流量(w m^-2)

T_chill和T_casting分别是铸型与铸件的表面温度(K)

反传热算法的计算过程中，根据非线性估算法可以将随时间变化的热流量q(t)分成N个时间间隔的离散值(q_i＝q₁，q₂…q_N)，另外，由于铸型或铸件内部热电偶温度数据的响应滞后于铸型/铸件界面温度数据变化，因而在计算每个Δθ时间间隔内的热流量q_i时，为改善反传热算法的稳定性，在计算每个Δθ时间间隔内的热流量q_i时，设定一个R值为将来时间步长，使得q_i在RΔθ时间间隔时长内为一个常数，所述R的数值范围为2-20。

采用反传热算法计算界面热流量时，需要设置相应的反算参数，主要包括：热流量计算的时间步长Δθ、将来时间步长R、初始猜测的热流量、初始的温度场和迭代收敛误差判据等。这些参数设置后，开始计算，当第一个时间间隔Δθ内的热流量q₁被迭代计算得到后，循环计算下一个时间间隔Δθ内的热流量q₂，周而复始，直到每一个时间间隔Δθ内的热流量q_i被计算出来为止。其中每一个时间间隔Δθ的热流量q_i是通过计算温度与测量温度误差值最小的判据迭代计算获得，可用公式(2)表示：