鍛造溫度場邊界條件測試裝置制造方法及圖紙

一種應(yīng)用熱方法測試材料領(lǐng)域的鍛造溫度場邊界條件測試裝置，包括：用于固定待測件的固定機構(gòu)、測試模具、若干熱電偶及其溫度采集模塊和計算控制模塊，其中：若干對熱電偶埋設(shè)于測試模具中，固定機構(gòu)與測試模具上下相對設(shè)置，溫度采集模塊采集不同時刻各個熱電偶的溫度值，并將溫度值傳輸至計算控制模塊，計算控制模塊根據(jù)待測件與測試模具的完整接觸的時間結(jié)合接觸表面溫度得到樣品與測試模具之間的換熱系數(shù)。本發(fā)明專利技術(shù)適用于高溫固體接觸換熱系數(shù)的測試研究。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
鍛造溫度場邊界條件測試裝置
本專利技術(shù)涉及的是一種應(yīng)用熱方法測試材料領(lǐng)域的裝置，具體是一種鍛造溫度場邊界條件測試裝置。
技術(shù)介紹
在鍛造過程中，溫度場需要建立傳熱學模型，而工件與模具之間接觸換熱系數(shù)的選取對傳熱學模型的建立尤其重要。它直接影響溫度場計算的準確性，而溫度場計算的準確性又直接影響組織場、應(yīng)力場及應(yīng)變場計算的準確性。所以說工件與模具之間的接觸換熱系數(shù)的確定是一個源頭問題，該系數(shù)如果選取不準確會導(dǎo)致整個鍛造加工過程模擬的失敗。因此，研究固體接觸換熱系數(shù)十分有必要。目前針對固體接觸換熱系數(shù)的理論研究還比較少，且此方面的研究主要集中在空間站、衛(wèi)星、電子器件和低溫超導(dǎo)等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的接觸溫度都比較低，且溫度變化范圍也比較窄。到目前為止，尚無一套能測試在高溫度、高載荷、且存在熱變形條件下接觸換熱系數(shù)的設(shè)備。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN101871903，公開日2010-10-27，公開了一種確定大型鋼錠界面換熱系數(shù)的方法，其包括以下步驟：1)將鋼錠與錠模間的接觸界面簡化為若干測試分段，在每一分段中確定若干個測試點，并在每一測試點上設(shè)置有一個傳感器，將每一傳感器通過各自的導(dǎo)線共同連接到一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出端連接一界面換熱系數(shù)反算系統(tǒng)；2)在鋼水凝固成鋼錠的過程中，傳感器采集鋼水凝固過程中的溫度或熱流信息，并將采集到的信號傳送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中；3)在鋼水完全凝固成鋼錠后，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取各測試點的數(shù)據(jù)，獲得各測試點實測的隨時間變化的溫度或熱流信息，并導(dǎo)入到鋼錠與錠模間界面換熱系數(shù)反算系統(tǒng)中；4)通過界面換熱系數(shù)反算系統(tǒng)反算求解出鋼錠與錠模間的界面換熱系數(shù)。但該技術(shù)不足之處在于，測試得到接觸換熱系數(shù)，特別是固體之間的接觸換熱系數(shù)，比如熱鍛時，影響測試結(jié)果的最大因素是兩者之間的壓強大小，壓強越大，則兩者之間的熱交換越劇烈，也即是接觸換熱系數(shù)越大。現(xiàn)有技術(shù)主要測量的是液態(tài)鋼錠與錠模之間的換熱系數(shù)，無法測量兩固體接觸傳熱時，一定載荷下，接觸換熱系數(shù)的值。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種鍛造溫度場邊界條件測試裝置，適用于高溫固體接觸換熱系數(shù)的測試研究，能夠在高溫、高載荷、且存在熱變形條件下完成任意兩固體之間的接觸換熱系數(shù)。本專利技術(shù)是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本專利技術(shù)包括：用于固定樣品的固定機構(gòu)、測試模具、若干熱電偶及其溫度采集模塊和計算控制模塊，其中：若干對熱電偶埋設(shè)于測試模具中，固定機構(gòu)與測試模具上下相對設(shè)置，溫度采集模塊采集不同時刻各個熱電偶的溫度值，并將溫度值傳輸至計算控制模塊，計算控制模塊將樣品與測試模具的完整接觸的時間段離散分為若干個子過程，認為每個子過程中，測試模具和樣品的接觸表面溫度保持不變，即溫差保持不變，而僅于下一個子過程開始時發(fā)生突變，從而獲得樣品與測試模具之間的換熱系數(shù)。所述的樣品與測試模具之間的接觸換熱系數(shù)h由下式獲得：其中：T(r,t)為溫度場，t0為開始加工時刻，tm為結(jié)束加工時刻，ρ為測試模具的密度；c(T)為測試模具的比熱容，s(ti)為第i個時間段內(nèi)接觸面的面積，TA(ti)為在第i個時間段內(nèi)的樣品接觸表面溫度，TB(ti)在第i個時間段內(nèi)的測試模具接觸表面溫度，tall為接觸過程總時間，N表示若干個子過程。樣品接觸表面溫度通過兩個裸端熱電偶頂在樣品上來直接測試獲得以實現(xiàn)迅速響應(yīng)溫度。測試模具表面溫度由非線性外推法來外推獲得表面溫度，外推的方程為f(r)＝Aexp(B*r)+C，其中A，B，C為待定參數(shù)，r為距離接觸表面的法向距離。所述的溫度場具體是：設(shè)接觸時刻t0與接觸時刻tm時，測試模具內(nèi)部的溫度場等溫面為半球面，溫度僅沿該半球面的半徑方向發(fā)生變化，T(r,t)通過擬合方程來獲得，擬合方程形式為f(r)＝Aexp(B*r)+C，其中A，B，C為待定參數(shù)，r為距離接觸表面的法向距離。擬合數(shù)據(jù)來源：通過測試模具與被測件的接觸面中心為原點，接觸表面和軸向兩個方向等距離處溫度取平均值。所述的換熱系數(shù)的修正系數(shù)hx＝h(1-η)，其中：Qs為簡化假設(shè)后所獲得溫度場能量變化值，Ql為溫度場能量變化理論值，分別通過有限元數(shù)值模擬獲得的，以此來描述溫度場簡化所導(dǎo)致的誤差，即數(shù)值模擬中所有離散單元的能量增量之和，所述的固定機構(gòu)包括：上模座、固定板、上模和保溫結(jié)構(gòu)，其中：上模座、固定板和上模依次從上之下設(shè)置，保溫結(jié)構(gòu)包裹于上模和樣品的外部。所述的保溫結(jié)構(gòu)包括：外層的保溫鋁套和內(nèi)層的硅酸鋁纖維氈。所述的測試模具包括：下模及其下模座。所述的下模的材料為H13鋼。所述的熱電偶為十二支鎳鉻－鎳硅熱電偶。技術(shù)效果本專利技術(shù)能夠測試在高溫、較高載荷、且存在熱變形條件下的任意材料與測試裝置模具材料之間的接觸換熱系數(shù)，多次測量更可以獲得在不同載荷下的接觸換熱系數(shù)，再以此接觸換熱系數(shù)來提高在數(shù)值模擬中的溫度場、組織場、應(yīng)力場的計算精度。附圖說明圖1為實施例1的結(jié)構(gòu)圖。具體實施方式下面對本專利技術(shù)的實施例作詳細說明，本實施例在以本專利技術(shù)技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本專利技術(shù)的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1如圖1所示，本實施例包括：樣品5、固定樣品5的固定機構(gòu)、測試模具、若干熱電偶7及其溫度采集模塊10和計算控制模塊11，其中：若干對熱電偶7埋設(shè)于測試模具中，固定機構(gòu)與測試模具上下相對設(shè)置，溫度采集模塊10采集不同時刻各個熱電偶7的溫度值，并將溫度值傳輸至計算控制模塊11，計算控制模塊11將樣品5與測試模具的完整接觸離散分為若干個子過程，認為每個子過程中，測試模具和樣品5的接觸表面溫度保持不變，即溫差保持不變，而僅于下一個子過程開始時發(fā)生突變，從而獲得樣品5的換熱系數(shù)。所述的樣品5的換熱系數(shù)h由下式獲得：其中：T(r,t)為溫度場，t0為開始加工時刻，tm為結(jié)束加工時刻，ρ為樣品模具8的密度，c(T)為樣品模具8的比熱容，s(ti)為第i個時間段內(nèi)接觸面的面積，TA(ti)為在第i個時間段內(nèi)的樣品5接觸表面溫度，TB(ti)在第i個時間段內(nèi)的測試模具8接觸表面溫度，tall為接觸過程總時間，N表示若干個子過程。s(ti)隨時間發(fā)生變化，但是有兩種情況下，視為常數(shù)，其一：利用本專利技術(shù)的裝置時，僅采用較小的壓下量，如當應(yīng)變量在5％以下時，由于摩擦的存在，視試樣樣品的接觸面積不發(fā)生變化；其二，測試時，壓機先下壓一小段距離，然后保壓，此時面積不會發(fā)生變化。樣品5接觸表面溫度通過兩個裸端熱電偶頂在樣品上來直接測試獲得以實現(xiàn)迅速響應(yīng)溫度。這兩個熱電偶也即是圖中的I、J兩個熱電偶；測試模具表面溫度由非線性外推法來外推獲得表面溫度，外推的方程為f(r)＝Aexp(B*r)+C，其中A，B，C為待定參數(shù)，r為距離接觸表面的法向距離；外推的數(shù)據(jù)點選取距離接觸表面5mm、12mm、25mm、40mm處溫度。所述的換熱系數(shù)的修正系數(shù)hx＝h(1-η)，其中：Qs為簡化假設(shè)后所獲得溫度場能量變化值，Ql為溫度場能量變化理論值，分別通過有限元數(shù)值模擬獲得的，以此來描述溫度場簡化所導(dǎo)致的誤差，即數(shù)值模擬中所有離散單元的能量增量之和，誤差來源有二：其一是測試裝置中溫度場分布的簡化假設(shè)，也即是溫度場能量的計算誤差；其二是接觸界面在接觸過程溫度變化的離散假設(shè)，而此誤本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種鍛造溫度場邊界條件測試裝置，其特征在于，包括：用于固定待測件的固定機構(gòu)、測試模具、若干熱電偶及其溫度采集模塊和計算控制模塊，其中：若干對熱電偶埋設(shè)于測試模具中，固定機構(gòu)與測試模具上下相對設(shè)置，溫度采集模塊采集不同時刻各個熱電偶的溫度值，并將溫度值傳輸至計算控制模塊，計算控制模塊根據(jù)待測件與測試模具的完整接觸的時間結(jié)合接觸表面溫度得到樣品與測試模具之間的換熱系數(shù)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種鍛造溫度場邊界條件測試裝置，其特征在于，包括：用于固定樣品的固定機構(gòu)、測試模具、若干熱電偶及其溫度采集模塊和計算控制模塊，其中：若干對熱電偶埋設(shè)于測試模具中，固定機構(gòu)與測試模具上下相對設(shè)置，溫度采集模塊采集不同時刻各個熱電偶的溫度值，并將溫度值傳輸至計算控制模塊，計算控制模塊根據(jù)樣品與測試模具的完整接觸的時間結(jié)合接觸表面溫度得到樣品與測試模具之間的換熱系數(shù)；所述的樣品與測試模具之間的接觸換熱系數(shù)h由下式獲得：其中：T(r,t)為溫度場，t0為開始加工時刻，tm為結(jié)束加工時刻，ρ為測試模具的密度；c(T)為測試模具的比熱容，s(ti)為第i個時間段內(nèi)接觸面的面積，TA(ti)為在第i個時間段內(nèi)的樣品接觸表面溫度，TB(ti)在第i個時間段內(nèi)的測試模具接觸表面溫度，tall為接觸過程總時間，N表示若干個子過程，r為距離接觸表面的法向距離。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍛造溫度場邊界條件測試裝置，其特征是，所述的樣品接觸表面溫度通過兩個裸端熱電偶頂在樣品上直接測試，從而獲得迅速響應(yīng)溫度；測試模具接觸表面溫度由非線性外推法來外推獲得表面溫度，外推的方程為f(r)＝Aexp(B*r)+C，其中A，B，C為待定參數(shù)，r為距離接觸表面的法向距離。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鍛造溫度場邊界條件測試裝置，其特征是，所述的換熱系數(shù)h的修正系數(shù)，hx＝h(1-η)，其中：Qs為簡化假...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張舉，崔振山，
申請(專利權(quán))人：上海交通大學，
類型：發(fā)明
國別省市：上海;31