材料热力学参数测试装置的结构设计和稳态热分析

刘芬 刘红武 刘淑慧 王康

摘要：为解决现有管式炉在高温烧结时存在不能测量温度和变形的问题，以现有管式炉为基础，设计并改进一种用于测试高温条件下材料热力学参数的装置。通过ANSYS Workbench对该测试装置的管式爐结构进行建模，采用实体单元对结构进行模拟；对管式炉结构进行稳态热分析，并得到法兰的温度，评估配置冷却系统的必要性；利用参数优化方法，得到法兰2右端温度为40 ℃时冷却系统需要具备的对流传热系数，为冷却系统中模温机的选型提供指导。

关键词：管式炉；冷却系统；测试装置；对流传热系数；参数优化；稳态热分析

中图分类号：TK123；TB115.1

文献标志码：B

0 引 言

在一些高端制造行业，如精密铸造行业、金属粉末注射成型行业中，零部件的制造精度要求很高，但在实际生产中，烧结工序的温度变化对零部件成型的最终精度影响非常大[1]，并在很大程度上决定零部件制造的周期和成本。因此，在零部件制造工艺研发过程中，有必要借助计算机数值模拟预测零部件在烧结工序中的变形。计算机数值模拟需要获取零部件材料热力学性能参数，包括材料在加热和冷却过程中各个温度条件下对应的变形数值。

高温条件下材料本构热力学参数是计算机数值模拟的重要输入数据。根据烧结试验测得与产品烧结本构相关的参数，如加热和冷却过程中零件的收缩率δ（不同温度下对应的变形数值），结合理论知识，将烧结本构相关参数标定[2-4]为

然而，现有管式炉无法完成上述所需热力学参数的测试，其炉管内部试件无法放置和定位，试验可重复性差。炉管内的温度较高，难以实现对炉管内的试件变形进行实时测量和监控。测温元件一般位于管式炉的炉管外侧，难于得到零部件试样本身及周边温度的精确值。现有测温元件均基于热电偶原理，仅能测试若干接触点的温度，得不到整个试样的温度分布。基于此，本文设计一种对试件温度和变形实时测量和监测的热力学参数测试装置，以得到满足计算机数值模拟所需的试验参数。运用有限元仿真得到冷却系统所需的对流传热系数和流量，对模温机型号的合适选取提供指导。

1 结构设计和工作原理

新型材料热力学参数测试装置及炉管内部结构示意见图1。该测试装置包括炉膛、炉管、炉管内置测温元件、试件夹具、冷却系统、法兰、法兰封口（透明）、测温仪器、温度控制系统、摄像仪和抽真空系统等。

炉管的材质为氧化铝99瓷，内部带有可以安装和定位试件夹具的滑槽，该滑槽可以精确固定试件，减小试验误差。炉管内的试件夹具用于支撑试件，可以调节试件的放置角度，并且带有刻度，可作为外部设备进行变形测量的参考基准。炉管内置测温元件，可测量炉管内试件的温度，

调节测温元件的位置，以便精确测量试件上某点的温度。炉管两侧的法兰封口采用透明的石英玻璃，在法兰右侧放置测量和监测试件变形的仪器（摄像仪），可以测量整个试件随温度的变形过程，在法兰左侧放置测量整个试件温度的测温仪。冷却系统的作用是降低法兰及其周边的温度，防止法兰和周边测量设备在超高温时发生损坏。温度控制系统控制炉膛内温度。在抽真空系统完成抽真空操作后，往炉管填充惰性气体保护试件，使其在烧结过程中不发生化学反应。

试件安装到试件夹具上，通过炉管的滑槽，将试件和夹具放入炉管内，调整夹具位置并固定；将冷却系统与炉管连接；将法兰（内含透明的法兰封口）与炉管连接，在法兰右侧放置摄像仪，左侧放置测温仪（红外热像仪）；打开抽真空系统将惰性气体充入炉管内；通过温度控制系统调节到所需温度后启动冷却系统。炉膛开始升温，试件随着温度升高开始变形，测温元件实时记录试件某点的温度，测温仪实时记录整个试件的温度，外部摄像仪通过参照试件夹具上的刻度，精确记录试件的变形过程。该材料热力学参数测试装置可精确测量试件在各温度场下的变形。

2 法兰热分析及对流传热系数计算

选取材料热力学参数测试装置中的管式炉结构作为研究对象，采用ANSYS Workbench进行稳态热分析[5]，包含以下2种情况：当管式炉结构未设置冷却系统时，在空气中进行管式炉结构的温度场分析；当管式炉结构已设置冷却系统时，在空气和冷却系统中进行管式炉结构的温度场分析。对比分析冷却系统对法兰温度的影响，根据法兰和周边设备对环境温度的需求，得到冷却系统的对流传热系数，并计算相应的流量，对用作冷却系统的模温机型号的合适选取进行指导。

2.1 有限元模型建立

管式炉结构的几何模型见图3，包含炉管、法兰1、法兰2、法兰1封口和法兰2封口。冷却系统采用水冷，该有限元模型未考虑冷却系统的实际结构，设置为对流传热边界条件，其中包括对流传热系数和水的温度。管式炉结构的有限元模型见图4。

2.2 材料参数

炉管材质为氧化铝99瓷，法兰材质为铝合金 AL7075，法兰封口为石英玻璃，其稳态热分析涉及的材料参数见表1。

2.3 边界条件

对管式炉结构的稳态热分析分为2种情况：不设置冷却系统和设置冷却系统。分别对两者的边界条件进行说明。

边界区域和未设置冷却系统时的边界条件分别见图5和6。当管式炉结构未设置冷却系统时，蓝色区域为炉膛区，紫色区域为炉管中心初始温度区，橙色区域为恒温区，温度为1 300 ℃，绿色区域为空气自然对流区，其空气自然对流传热系数为5.00 W/（m2·℃），空气温度取室温32 ℃。当管式炉结构设置冷却系统时，炉管中心初始温度与未设置冷却系统时相同，黄色区域为空气热对流区，其空气自然对流传热系数和空气温度与未设置冷却系统时相同，红色区域为冷却系统热对流区，水温取室温32 ℃。采用参数优化方法，将对流传热系数设置为设计变量，给予一定的搜索范围；法兰2右端温度作为目标函数，设置为40 ℃（摄像机放置处最高工作温度为50 ℃）。

2.4 有限元数值分析

当管式炉结构未设置冷却系统时，管式炉结构整体的温度场分布见图7a），法兰的温度场分布见图8a），此时法兰2右端温度约为232 ℃；当管式炉结构设置冷却系统时，管式炉结构中整体的温度场分布见图7b），法兰的温度场分布见图8b），此时法兰2右端温度约为40 ℃，冷却系统的对流传热系数为98.42 W/（m2·℃），对应区域见图9。

数值分析结果表明，未设置冷却系统时管式炉结构的法兰温度接近232 ℃，此时，为确保摄像机等设备能正常工作，应增加冷却系统，冷却系统所需具备的对流传热系数须大于98.42 W/（m2·℃），此时对应的水流量为5.54 L/min[6]，可根据此流量选取相应的模温机型号。

3 结束语

本文提出一种热力学参数测试装置的机械结构设计，在现有管式炉结构的基础上，优化炉管内部结构，改造炉管端部结构，并新增测量温度和变形的设备，实现试件高温变形的实时测量和监控。另外，新增法兰冷却系统，保证新增设备的正常工作。

采用ANSYS Workbench对管式炉結构进行稳态热分析，对比分析有无冷却系统对法兰温度的影响，验证冷却系统的必要性。根据法兰及周边设备对温度环境的需要，得到冷却系统的对流传热系数及相应的流量，研究结果对冷却系统选取合适的模温机型号有重要的指导意义。

参考文献：

[1] 豆亚坤. 316L不锈钢金属注射成形工艺及性能研究[D]. 合肥： 合肥工业大学， 2016.

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[3] 宋久鹏， THIERRY B， 柳葆生， 等. MIM零件烧结过程中收缩和变形的数值模拟[J]. 机械科学与技术， 2007， 26（8）： 1045-1049. DOI： 10.3321/j.issn：1003-8728.2007.08.021.

[4] 宋久鹏， BARRIERE T， 柳葆生， 等. 金属注射成形烧结工艺的试验与数值模拟[J]. 机械工程学报， 2008， 44（8）： 157-163. DOI： 10.3321/j.issn：0577-6686.2008.08.028.

[5] 浦广益. ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M]. 北京：中国水利水电出版社， 2010： 91-93.

[6] 杨世铭， 陶文铨. 传热学[M]. 4版. 北京： 高等教育出版社， 2006： 257-258.

（编辑 付宇靓）