钛管数控加热弯曲过程界面传热系数的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料成形领域，具体是一种大直径薄壁难变形钛管数控加热弯曲过程 中界面传热系数的确定方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，大直径薄壁(管材外径DMOmm，管材外径D/管材壁厚t>20)镁合金、钛合金 等弯管件以其比强度高，轻量化等优点在航空、航天、汽车工业等领域得到了越来越广泛的 应用。数控加热弯曲是精确成形大直径薄壁弯管件的一种有效途径。然而，大直径薄壁难变 形管材加热弯曲是一个多模具、多边界条件约束的复杂热力耦合过程，温度分布对管件弯 曲成形的可重复性、成形质量、成形极限以及模具寿命有很大影响，而接触面间界面传热系 数直接影响管材加热弯曲过程中模具与模具、模具与管材间温度分布。界面传热系数不仅 测量困难，而且还受到各种因素的影响，如压力、表面粗糙度、润滑剂厚度等。因此，为了制 定合理的加热工艺参数以及实现准确的数值建模分析，迫切需要获得准确的模具与模具、 模具与管材间界面传热系数。
[0003] 金属接触界面间传热系数的相关研究，一直受到大量科研工作者和相关企业的重 视。经过对现有技术的检索发现，授权公告号为CN10166009A的发明创造中公开了一种固体 界面间传热系数的测量方法和装置，该装置能实现温度范围在150°C~1300°C及接触压力 在0~600MPa的动态接触测量，但是该装置要求在真空条件下进行，且主要用于金属热锻时 界面传热系数的测量。授权公告号为CN10166009A的发明创造中公开了一种测量金属热成 形界面传热系数的装置及方法，该装置能实时测量坯料与模具接触界面的温度，直接测量 与坯料接触的模具表面的温度，可实时反映和计算坯料与模具间的接触传热并通过计算获 得待测试样的界面接触传热系数。但是，上述发明创造都需要测量接触界面上坯料与模具 的温度，而在多模具内外约束加载下，大直径薄壁难变形管材热弯过程中接触界面上管材 和模具温度的准确测量十分困难。此外，大直径薄壁管材数控加热弯曲是一个多模具约束 下多因素耦合的复杂物理过程，各模具与模具、模具与管材间不同的接触条件导致需要确 定多个接触面间的界面传热系数，因此采用以上方法并不能准确高效地测量数控热弯过程 中的界面传热系数。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有测试方法不能准确全面地获得管材数控加热弯曲中模具与模具间、 模具与管材间界面传热系数的问题，本发明提出了一种钛管数控加热弯曲过程界面传热系 数的确定方法。
[0005] 本发明的具体过程是：
[0006] 步骤1:建立大直径薄壁纯钛管数控热弯成形加热过程有限元模型。
[0007] 步骤2:确定芯棒与芯棒支座间界面传热系数kMH。
[0008] 在确定芯棒与芯棒支座间界面传热系数kMH时，首先通过实验的方法确定芯棒各测 量点在加热过程中的温度变化曲线。建立所述芯棒加热过程的有限元模型，将芯棒与芯棒 支座间界面传热系数kMH作为模型参数，对所述芯棒的单独加热过程进行多次有限元模拟， 采用反算法和二分法，通过公式[10]，对每一次模拟所使用的界面传热系数kMH进行修正；
[0010] 式中：f1为第η次模拟计算时芯棒与芯棒支座间界面传热系数kMH的值和 分别为变化的上限和下限。ATmh为芯棒支座上通过有限元模拟得到的温度与实验 实测温度的差值。
[0011] 将每一次修正后的界面传热系数再代入模型中进行下一次模拟；当芯棒上模拟的 各测量点在加热过程中的采样温度与实验得到的各测量点在加热过程中的温度相差在5°C 以内时，该模拟所用的界面传热系数kMH作为芯棒与芯棒支座间的最终确定的界面传热系数 kMH 〇
[0012] 所述确定芯棒与芯棒支座间界面传热系数kMH中：
[0013] 通过电阻加热棒将与芯棒支座装配在一起的芯棒加热至300°C并获取该加热过程 中芯棒的温度变化曲线；
[0014] 所述修正模拟的界面传热系数的过程如下:将芯棒与芯棒支座间界面传热系数kMH 作为有限元模型的参数进行多次有限元模拟，模拟开始前为kMH设定一个初值<。当芯棒支 座上模拟的温度比实验测得的温度低时，需调高芯棒与芯棒支座间界面传热系数kMH;当芯 棒支座上模拟的温度比实验测得的温度高时，需调低芯棒与芯棒支座间界面传热系数kMH。 重复上述调节过程，直至芯棒上模拟的温度与实验实测温度的差值在5°C以内。
[0015] 步骤3:确定隔热板与压力模座间界面传热系数kBH和压力模与隔热板间界面传热 系数kro。
[0016] 采用第二步中确定芯棒与芯棒支座间界面传热系数kMH的方法，确定隔热板与压力 模座间界面传热系数kBH，和压力模与隔热板间界面传热系数k PB。
[0017] 所述确定隔热板与压力模座间界面传热系数kBH和压力模与隔热板间界面传热系 数kpB的具体过程是：
[0018] 将装配在一起的压力模、隔热板和压力模座中的压力模加热至300°C，并获取该加 热过程中压力模的温度变化曲线;通过公式[11]得到隔热板与压力模座间界面传热系数k BH 和压力模与隔热板间界面传热系数kra的比值为5，即kpB: kBH = 5。
[0020]式中：Sbh为隔热板与压力模座之间的面积;Spb为隔热板与压力模之间的面积； [0021] Δ Tbh为隔热板与压力模座之间的温差；Δ Tpb为隔热板与压力模之间的温差。
[0022]建立上述压力模加热过程的有限元模型，将隔热板与压力模座间界面传热系数kBH 和压力模与隔热板间界面传热系数kPB作为模型参数进行多次有限元模拟，采用反算法和二 分法，利用公式[12]，对每一次模拟所使用的界面传热系数分别进行修正。
[0023]
[0024] 式中，G1为第η次模拟计算时压力模与隔热板间界面传热系数kPB的值，Af1为第η 次模拟计算时隔热板与压力模座间界面传热系数kBH的值;衫?1和分别为变化的上 限和下限，々?1和/d,分别为g-1变化的上限和下限；ΛΤβα为隔热板上通过有限元模拟得到 的温度与实验实测温度的差值;ATph为压力模座上通过有限元模拟得到的温度与实验实测 温度的差值。
[0025]将所述隔热板与压力模座间界面传热系数kBH和压力模与隔热板间界面传热系数 kPB均作为有限元模型的参数进行多次模拟，模拟开始前为kPB和kBH分别设定初值 < 和拉， 并且 t ：一 Sd
[0026] 当隔热板模拟的温度值与实验测得的温度值之差大于5°C时，所述调整隔热板与 压力模座间界面传热系数kBH和压力模与隔热板间界面传热系数k PB的具体过程是：当隔热 板模拟的温度比实验测得的温度高时，需调低隔热板与压力模座间界面传热系数kBH和压力 模与隔热板间界面传热系数k PB;当隔热板模拟的温度比实验测得的温度低时，需调高隔热 板与压力模座间界面传热系数kBH和压力模与隔热板间界面传热系数k PB。重复上述调节过 程，直至隔热板的模拟温度与实验的实测温度差值在5°C以内。
[0027] 当压力模座上模拟的温度值与实验测得的温度值之差大于5°C时，所述调整隔热 板与压力模座间界面传热系数kBH和压力模与隔热板间界面传热系数k PB的具体过程是:在 保证隔热板上模拟的温度不变的条件下，当压力模座上模拟的温度比实验测得的温度低 时，需调高隔热板与压力模座间界面传热系数k BH和压力模与隔热板间界面传热系数kPB;当 压力模座上模拟的温度比实验测得的温度高时，需调低隔热板与压力模座间界面传热系数 kBH和压力模与隔热板间界面传热系数kPB。重复上述调节过程，直至压力模座上模拟的温度 与实验实测温度的差值相差在5°c以内。
[0028] 步骤4:确定芯棒与管子间界面传热系数kMT、防皱模与防皱模座间界面传热系数 kwH和防皱模与弯曲模间界面传热系数kwB的初值。
[0029] 通过实验和解析法，得到芯棒与管子间界面传热系数kMT、防皱模与防皱模座间界 面传热系数kWH和防皱模与弯曲模间界面传热系数k WB的初值。将压力模和芯棒加热至300 °C，并获取压力模的温度变化、芯棒的温度变化和防皱模上的温度变化。在实验得到的温度 变化曲线的基础上，通过解析法获取芯棒与管子间界面传热系数kMT、防皱模与防皱模座间 界面传热系数k?和防皱模与弯曲模间界面传热系数k?。
[0030] 将每一次修正后的界面传热系数代入模型中进行下一次模拟，最终确定隔热板与 压力模座间界面传热系数kBH和压力模与隔热板间界面传热系数k PB。
[0031] 步骤5:确定各传热系数。所述的各传热系数包括:芯棒与管子间界面传热系数kMT、 防皱模与防皱模座间界面传热系数kra、防皱模与弯曲模间界面传热系数kwB、压力模与管子 间界面传热系数k PT和弯曲模与镶块间界面传热系数kBI。
[0032] 将压力模和芯棒加热至300°C，分别获得该加热过程中的压力模、芯棒、防皱模、弯 曲模和夹持模上的温度变化曲线;通过公式[15]得到防皱模与弯曲模间界面传热系数k?和 弯曲模与镶块间界面传热系数1^的比值，
[0034] 式中：Swb为防皱模与弯曲模的接触面积;Sbi为弯曲模与镶块的接触面积；△ Twb为 防皱模与弯曲模的温差；A Tb1为弯曲模与镶块的温差。
[0035] 建立所述模具和管材完全装配后加热压力模和芯棒的有限元模型，将界面传热系 数作为模型参数进行多次有限元模拟，采用反算法和二分法，对所述模具和管材完全装配 后加热压力模和芯棒的模拟过程中每一次模拟所使用的界面传热系数进行修正;将每一次 修正后的界面传热系数代入模型中进行下一次模拟。当模具上模拟的温度与实验实测温度 相差在5°C以内时，确定接触面上的界面传热系数。
[0036] 在确定芯棒与管子间界面传热系数kMT、防皱模与防皱模座间界面传热系数km和 防皱模与弯曲模间界面传热系数km的初值时，根据防皱模上温度变化曲线的斜率大小，将 整个加热阶段分为部分传热阶段、完全传热过程和稳态传热过程。
[0037] 基于实验得到的部分传热阶段的数据，通过公式[13]得到芯棒与管子间界面传热 系数kMT的值。
[0039]式中：Cw为防皱模材料的热容;mw是防皱模的质量；Srr是防皱模与管子的接触面 积;TwdPTw2是防皱模在不同时间点的温度;ATdP AT2是防皱模与芯棒之间在不同时间点 的温差;At是时间间隔。
[0040]根据实验得到的稳态传热过程的数据，通过公式[14]得到防皱模与防皱模座间界 面传热系数kwH和防皱模与弯曲模间界面传热系数kWB的值为k? = kWB。
[0042] 式中：Swb是防皱模与弯曲模之间的接触面积;Sra是防皱模与防皱模座之间的接触 面积;Tm是芯棒内侧的温度，Tw是防皱模的温度，Tb是弯曲模的温度。
[0043] 在确定芯棒与管子间界面传热系数kMT和防皱模与防皱模座间界面传热系数k? 时：
[0044] 将芯棒与管子间界面传热系数kMT和防皱模与防皱模座间界面传热系数k?作为有 限元模型的参数进行模拟。模拟开始前根据得到的kMT的值设定有限元模拟使用的参数kMT 的初值为#，根据