本發(fā)明涉及陶瓷材料生產，尤其涉及一種通過數(shù)值計算確定陶瓷材料最快降溫速率的方法。

背景技術：

1、燒成曲線的研究一直是陶瓷工業(yè)重要的理論與應用研究課題之一，最佳燒成曲線一般是指在不影響產品燒成質量的條件下，具有最佳升降溫速率、最短燒成時間的燒成曲線。在陶瓷燒成過程的降溫階段，陶瓷材料已形成致密結構，此時陶瓷坯體強度較高、韌性較差，過高的熱應力可能會導致坯體開裂。因此需要著重考慮降溫速率的影響，避免內外溫差過大?，F(xiàn)有的溫度制度設計方法是根據(jù)材料的抗折強度極限計算最快的加熱速度，如：其中，v為升/降溫速率，℃/h；μ為泊松比；a為材料的導熱系數(shù)；σ為材料的彈性系數(shù)；α為材料的線膨脹系數(shù)；s為制品的大小，m；η為形狀系數(shù)。但公式中的形狀因子需要通過試驗確定，對于復雜形狀的幾何體，難以準確確定。此外，這一公式無法考慮應力集中情況，也未考慮材料物性參數(shù)隨溫度的變化，只能給出一個模糊的值。為避免熱應力引起開裂，生產中往往采用極低的降溫速率，并充分延長保溫時間以防止開裂，降低了生產效率。

2、要達到燒成質量和時間/能源成本之間的平衡，確定最快燒成曲線，需要了解燒成過程中的最大應力。因此，可以通過有限元方法計算燒成過程中的溫度場、應力場，確定最快的降溫速率，提高生產效率。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點和不足，提供一種通過數(shù)值計算確定陶瓷材料最快降溫速率的方法。

2、本發(fā)明通過下述技術方案實現(xiàn)：

3、一種通過數(shù)值計算確定陶瓷材料最快降溫速率的方法，包括如下步驟：

4、s1、構建陶瓷材料燒結降溫過程的三維結構熱力耦合模型，建立傳熱方程和力學本構方程；

5、s2、確定仿真過程中的溫度制度和陶瓷材料的熱學、力學屬性，包括導熱系數(shù)、密度、恒壓熱容、熱膨脹系數(shù)、楊氏模量和泊松比；

6、s3、確定邊界條件，對陶瓷材料施加對流和輻射邊界條件實現(xiàn)降溫，對陶瓷材料底面施加指定位移邊界條件作為約束；

7、s4、選擇相應的方法劃分網(wǎng)格，并進行局部調整；

8、s5、采用瞬態(tài)法求解溫度場和應力場，采用函數(shù)掃描節(jié)點一次求解多個降溫制度，以材料抗折強度σt和降溫過程最大熱應力σmax之間的大小關系作為破壞判據(jù)，判斷材料是否因熱應力破壞，確定最快降溫速率。

9、步驟s1中，傳熱方程為：

10、其中ρ、cp分別為陶瓷材料的密度和恒壓熱容，q為熱通量，模型中熱通量包括對流熱通量q1＝h(text-t)和輻射熱通量q為熱源，在此模型中，q＝0。

11、步驟s1中，力學本構方程為：

12、(1)胡克定律，σ＝c：εth，其中σ為應力張量；εth為熱應變率；c為彈性張量，由楊氏模量和泊松比定義；

13、(2)熱應變率εth為：εth＝α(t)(t-tref)，其中，α(t)為正割熱膨脹系數(shù)，t為溫度，tref為體積參考溫度，即材料無應變時的溫度。

14、步驟s3中，對陶瓷材料施加對流和輻射邊界條件，具體是對底面施加熱傳導邊界條件，對其余邊界施加對流和輻射邊界條件，其環(huán)境溫度為爐腔溫度，近似為降溫制度。

15、步驟s4中，選擇相應方法劃分網(wǎng)格具體是選擇結構化剖分方法劃分規(guī)則幾何體，選擇自由四面體法劃分不規(guī)則幾何體，對邊角、凹凸特殊位置進行網(wǎng)格細化，得到陶瓷材料網(wǎng)格劃分圖。

16、步驟s5中，以材料抗折強度σt和降溫過程最大熱應力σmax之間的大小關系作為破壞判據(jù)，具體是當σmax≤σt，認為熱應力不會導致陶瓷材料破壞，使σmax≤σt成立的最大降溫速率即陶瓷燒成的最快降溫速率。

17、在固體傳熱中，對坯體底面施加熱傳導邊界條件，對其余邊界施加對流和輻射邊界條件，其環(huán)境溫度為爐腔溫度，近似為降溫制度。對坯體底面施加指定位移邊界條件，指定底面位移為0。

18、對形狀規(guī)則的幾何選擇結構性網(wǎng)格剖分方法進行網(wǎng)格劃分，先在底面劃分四邊形網(wǎng)格，再通過掃掠的方式劃分整個幾何模型。對不規(guī)則幾何體采用自由四面體法劃分網(wǎng)格，并根據(jù)需要進行局部細化。

19、固體傳熱中溫度離散化采用“二次拉格朗日單元”，在固體力學模塊中位移離散化采用“線性單元”。

20、為控制變量，在研究陶瓷材料燒結過程的材料類型影響時，保持形狀一致；考察形狀影響時，保持材料類型一致。

21、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，具有如下的優(yōu)點及效果：

22、本發(fā)明通過有限元法對陶瓷材料燒結過程中的降溫階段進行模擬，求解了磚體內部的溫度、應力分布情況。

23、本發(fā)明可應用于預測陶瓷材料在燒結降溫過程中的最大應力，且能充分考慮形狀、尺寸、材料屬性隨溫度變化等因素的影響，能夠保證熱應力在允許值的范圍內，減小冷卻時間。

24、本發(fā)明還可用于形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化，提高生產效率。相較于公式法、試驗法確定燒成制度，數(shù)值模擬方法準確度高、試驗成本低、簡單易行。

技術特征：

1.一種通過數(shù)值計算確定陶瓷材料最快降溫速率的方法，其特征在于包括如下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述通過數(shù)值計算確定陶瓷材料最快降溫速率的方法，其特征在于，步驟s1中，傳熱方程為：

3.根據(jù)權利要求1所述通過數(shù)值計算確定陶瓷材料最快降溫速率的方法，其特征在于，步驟s1中，力學本構方程為：

4.根據(jù)權利要求1所述通過數(shù)值計算確定陶瓷材料最快降溫速率的方法，其特征在于，步驟s3中，對陶瓷材料施加對流和輻射邊界條件，具體是對底面施加熱傳導邊界條件，對其余邊界施加對流和輻射邊界條件，其環(huán)境溫度為爐腔溫度，近似為降溫制度。

5.根據(jù)權利要求1所述通過數(shù)值計算確定陶瓷材料最快降溫速率的方法，其特征在于，步驟s4中，選擇相應方法劃分網(wǎng)格具體是選擇結構化剖分方法劃分規(guī)則幾何體，選擇自由四面體法劃分不規(guī)則幾何體，對邊角、凹凸特殊位置進行網(wǎng)格細化，得到陶瓷材料網(wǎng)格劃分圖。

6.根據(jù)權利要求1所述通過數(shù)值計算確定陶瓷材料最快降溫速率的方法，其特征在于，步驟s5中，以材料抗折強度σt和降溫過程最大熱應力σmax之間的大小關系作為破壞判據(jù)，具體是當σmax≤σt，認為熱應力不會導致陶瓷材料破壞，使σmax≤σt成立的最大降溫速率即陶瓷燒成的最快降溫速率。

技術總結
本發(fā)明公開了一種通過數(shù)值計算確定陶瓷材料最快降溫速率的方法：構建陶瓷材料燒結降溫過程的三維結構熱力耦合模型，建立傳熱方程和力學本構方程；確定仿真過程中的參數(shù)和材料屬性；確定邊界條件；選擇合適的方法進行網(wǎng)格劃分，并進行局部調整；采用函數(shù)掃描節(jié)點一次求解瞬態(tài)條件下多個降溫制度下的溫度場和應力場，以材料抗折強度作為判據(jù)，將求得的降溫過程最大應力與之比較，判斷材料是否因熱應力破壞，確定最快降溫速率。本發(fā)明實現(xiàn)了對陶瓷材料燒結過程中溫度梯度導致的熱應力場的模擬預測，并考慮了陶瓷材料幾何形狀、材料類型、降溫速率的影響，為陶瓷材料燒結制度的制定提供了參考，有利于降低生產中的時間和能源成本。

技術研發(fā)人員：彭誠,鄧綺萍,王碩,彭斯棒,呂明,關康
受保護的技術使用者：華南理工大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/30