專利名稱：一種基于力學和熱力學的受壓托輪溫度分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非金屬材料學領(lǐng)域，是ー種結(jié)合材料試驗力學、有限元力學分析(如ANSYS等)及熱力學分析為一體的分析材料性能，通過獲得托輪在承載轉(zhuǎn)動發(fā)生變形過程中內(nèi)部溫度場分布函數(shù)或曲線和最大溫度值及其所出現(xiàn)的位置，來實現(xiàn)托輪最佳材料和最佳轉(zhuǎn)速選取的方法。該方法不僅可以實現(xiàn)托輪最佳材料及轉(zhuǎn)速的選取，亦可以作為其它非金屬材料結(jié)構(gòu)體選取材料及優(yōu)化生產(chǎn)エ藝等的指導(dǎo)方法。托輪在承載轉(zhuǎn)動過程中受到反復(fù)擠壓，托輪的塑性變形的部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)部溫度升高的熱源。當托輪內(nèi)部的溫度超過材料的熱變形溫度時，將會使材料的力學性能降低，甚至導(dǎo)致托輪的報廢，因此獲得托輪內(nèi)部的溫度場分布函數(shù)或曲線及熱交換平衡時的最大溫度是選取托輪制作材料及其最佳轉(zhuǎn)速的重要參考指標。
背景技術(shù)：
目前對于托輪材料及轉(zhuǎn)速的選取，多是憑借材料的力學性能測試和實際工程經(jīng)驗進行選取的，而對于托輪在實際工作過程中可能出現(xiàn)的熱力學狀態(tài)卻無法預(yù)測，從而對托輪的使用壽命的延長，無法提出合理的方法。隨著托輪行業(yè)的發(fā)展及其使用范圍的擴大，如果僅憑材料的力學性能和經(jīng)驗進行材料和轉(zhuǎn)速的選取，必將會影響到托輪的使用年限及企業(yè)利潤。在信息技術(shù)發(fā)展的今天，如果能將材料試驗力學、有限元力學分析和熱力學分析結(jié)合起來進行托輪工作狀態(tài)下熱力學狀態(tài)的模擬分析，勢必將會為托輪材料和轉(zhuǎn)速的選取及生產(chǎn)エ藝的優(yōu)化提供ー種新的指導(dǎo)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要是以材料試驗力學、有限元力學分析及熱力學分析為基礎(chǔ)，利用有限元知識及相關(guān)軟件獲得托輪在受壓變形過程中產(chǎn)生的塑性變形能量。由于托輪在實際工作過程中會受到反復(fù)的擠壓，因此塑性變形能量最終轉(zhuǎn)化成促使內(nèi)部溫度升高的熱源。本發(fā)明的技術(shù)方案參見圖I。該方法主要是由材料試驗力學、有限元力學分析和熱力學分析三大部分構(gòu)成。材料試驗力學主要是為了獲得有限元分析所需要的材料彈性模量、弾性極限強度及應(yīng)カ應(yīng)變曲線等實測值；有限元力學分析主要是用于獲取承載托輪的塑性變形能量和最大變形位移；熱力學分析主要是為了獲得承載托輪內(nèi)部與外界進行熱量交換時的溫度場分布函數(shù)或者曲線及在平衡狀態(tài)下的最大溫度值。本發(fā)明的特征還在于步驟如下⑴首先進行材料的力學性能試驗，得到材料的彈性模量、弾性極限強度及應(yīng)カ應(yīng)變曲線，作為有限元力學分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，且當材料的真實應(yīng)カ大于彈性極限強度，判斷材料在受壓過程中產(chǎn)生了塑性變形；⑵通過有限元模擬分析，得到托輪在受壓狀態(tài)下的最大位移變形量和塑性變形能量值及托輪外緣面到塑性變形截止面的距離I1 ；⑶結(jié)合熱力學分析對傳熱過程進行模型簡化，建立托輪在工作過程中的熱傳導(dǎo)方程，具體如下在輪軸孔處溫度始終為托輪的工作環(huán)境溫度T。，在輪緣外表面處熱量自由散發(fā)到溫度為T。的大氣環(huán)境中，托輪的初始溫度也為T。；建立坐標系原點O點設(shè)置在變形區(qū)域與未變形區(qū)域的交界處，由數(shù)學物理方程中對ー維熱傳導(dǎo)半無界問題方程的定義，可以得到托輪總的熱傳導(dǎo)方程為Tt-a2 Δ T=fx (12<χ<11, t>0) (I)
r|iafj=re(2)[Γχ + σ ]^ =Tca(3)Tlt = 0=TC(4)公式(I)為求解托輪內(nèi)部坐標變量X在托輪外表面邊界I1和輪軸孔內(nèi)表面邊界I2之間、時間t大于零的溫度函數(shù)T的熱傳導(dǎo)微分方程，Tt為溫度函數(shù)T對時間變量t的一次導(dǎo)數(shù)，Δ為Laplace算子，fx為托輪內(nèi)部的熱源，并等于有限元模擬計算出的塑性變形能
量；公式(2)為溫度函數(shù)T在托輪軸孔內(nèi)表面的邊界條件，'/'|r /:為輪軸孔內(nèi)表面上的溫度
函數(shù)值，Tc為托輪的工作環(huán)境溫度；公式(3)為溫度函數(shù)T在托輪外表面的邊界條件，Tx為
溫度函數(shù)T對X坐標的一次導(dǎo)數(shù)，[む+汾丄&為在托輪外表面上的一次導(dǎo)數(shù)Tx和σ ·Τ之
和的值；公式(4)為溫度函數(shù)T在托輪內(nèi)部的初始條件，T 11 = ^為時間為零時的托輪內(nèi)部初始溫度函數(shù)值；上述公式中的物理量分別為が’ K為導(dǎo)熱系數(shù)，P為密度,Cp為比熱容；CF = 2，為熱交換系數(shù)。這些物理量為托輪材料的性能參數(shù)，通過材料手冊或?qū)嶒灉y試獲
K %
得;I1為外緣面處點的坐標；12為輪軸孔處點的坐標山和I2的值均可以由能量密度圖中的比例得到；根據(jù)托輪溫度函數(shù)的邊界條件公式(2)和公式(3)以及初始條件公式(4)求解公式(I)，得到托輪內(nèi)部的溫度T分布當時間變量t趨于無窮大吋，因托輪內(nèi)部熱源fx與外界熱交換達到平衡狀態(tài)，可得到托輪內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)溫度分布函數(shù)或者曲線，令溫度函數(shù)T對X坐標的一次導(dǎo)數(shù)Tx=O或取溫度分布曲線的最大值，即可得到平衡狀態(tài)下的最大溫度值Tmax及其對應(yīng)的坐標值X，從而得到最大溫度值Tmax的坐標點距外緣面的距離S ；⑷進行托輪工作狀態(tài)下的熱力學狀態(tài)分析、托輪制作材料及轉(zhuǎn)速的最佳選取，以下步驟沒有順序；①通過求解出的溫度場分布函數(shù)或者曲線，可以了解托輪在工作過程中的熱力學狀態(tài)，對預(yù)測托輪工作狀況提供依據(jù)。②最佳材料的選取
a.如果Tmax < HDT，說明托輪在受壓狀態(tài)下所產(chǎn)生的最大溫度Tmax小于材料本身的熱變形溫度HDT，那么托輪在長期的工作過程中是安全的；反之則是不安全的。b.最大溫度點到托輪外緣面的距離S越小，說明托輪內(nèi)部與外界越容易進行熱量交換，也就越有利于延長托輪的使用年限；反之會影響到托輪的使用壽命。綜上，如果材料的Tmax和S值越小，那么用這種材料制作的托輪，在工作過程中安全性越高，因此，更有利于延長托輪的使用壽命。③最佳轉(zhuǎn)速的選取由相應(yīng)的托輪內(nèi)部溫度分布分析結(jié)果可知，對于同一種材料，不同的轉(zhuǎn)速下，托輪內(nèi)部的Tmax值與轉(zhuǎn)速呈正比例關(guān)系，當Tmax越接近HDT時，托輪的轉(zhuǎn)速也就越接近材料所能承受的最大值，這時的轉(zhuǎn)速即是托輪在工作過程中的最佳轉(zhuǎn)速，因為轉(zhuǎn)速越高，生產(chǎn)效率越聞。本發(fā)明根據(jù)熱力學分析，得到了托輪內(nèi)部的溫度場分布函數(shù)或曲線及熱交換平衡狀態(tài)下的最大溫度值及其位置，實現(xiàn)了托輪在工作過程中熱力學狀態(tài)的分析預(yù)測。


圖I托輪溫度分析方法的流程2托輪工作示意圖I轉(zhuǎn)輪，2托輪圖3托輪有限元模型簡化圖P為面載荷,B為托輪寬度，δ為托輪受壓接觸面寬度,Dtl為托輪外直徑,d為托輪
軸孔直徑。圖4托輪設(shè)定的坐標系3托輪外緣表面，4塑性變形截止面，5托輪軸孔表面，X溫度深度方向坐標，q為熱載荷，N-M為熱載荷線性分布曲線，I1為坐標系中托輪外表面處坐標值，I2為坐標系中托輪軸孔表面處坐標值圖5托輪的不同轉(zhuǎn)速下的最大溫度曲線
具體實施例方式本發(fā)明實施中采用萬能試驗臺來獲取有限元分析所需要的材料力學性能數(shù)據(jù)，然后通過有限元結(jié)構(gòu)力學分析軟件(ANSYS)進行模擬計算，求解出托輪在受壓狀態(tài)下的塑性變形能量用于確定托輪內(nèi)部的熱源，和最大變形位移用于確定托輪外表面到塑性變形截止面的距離し。最后利用熱力學分析求解出托輪在工作過程中的溫度場分布函數(shù)或曲線、最大溫度值及其距外緣面的距離，通過比較對托輪材料及轉(zhuǎn)速進行了選取。該分析方法的具體實施步驟如下⑴通過萬能試驗臺獲得了一種聚合物材料的彈性模量E、弾性極限強度σ e及應(yīng)カ應(yīng)變曲線，其中E=3600MPa，σ e=90MPa，另外可以根據(jù)應(yīng)カ應(yīng)變曲線取出三組應(yīng)カ應(yīng)變值。
權(quán)利要求
1.一種基于力學和熱力學的受壓托輪溫度分析方法，其特征在于，包括以下步驟 ⑴首先進行材料的力學性能試驗，得到材料的彈性模量、彈性極限強度及應(yīng)力應(yīng)變曲線，作為有限元力學分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，且當材料的真實應(yīng)力大于彈性極限強度，判斷材料在受壓過程中產(chǎn)生了塑性變形； ⑵通過有限元模擬分析，得到托輪在受壓狀態(tài)下的最大位移變形量和塑性變形能量值及托輪外緣面到塑性變形截止面的距離11; ⑶結(jié)合熱力學分析對傳熱過程進行模型簡化，建立托輪在工作過程中的熱傳導(dǎo)方程，具體如下 在輪軸孔處溫度始終為托輪的工作環(huán)境溫度T。，在輪緣外表面處熱量自由散發(fā)到溫度為T。的大氣環(huán)境中，托輪的初始溫度也為T。；建立坐標系原點O點設(shè)置在變形區(qū)域與未變形區(qū)域的交界處，由數(shù)學物理方程中對一維熱傳導(dǎo)半無界問題方程的定義，可以得到托輪總的熱傳導(dǎo)方程為 公式(I)為求解托輪內(nèi)部坐標變量X在托輪外表面邊界I1和輪軸孔內(nèi)表面邊界I2之間、時間t大于零的溫度函數(shù)T的熱傳導(dǎo)微分方程，Tt為溫度函數(shù)T對時間變量t的一次導(dǎo)數(shù)，△為Laplace算子，fx為托輪內(nèi)部的熱源，并等于有限元模擬計算出的塑性變形能量；公式(2)為溫度函數(shù)T在托輪軸孔內(nèi)表面的邊界條件，7jv ^為輪軸孔內(nèi)表面上的溫度函數(shù)值，T。為托輪的工作環(huán)境溫度；公式(3)為溫度函數(shù)T在托輪外表面的邊界條件，Tx為溫度函數(shù)T對X坐標的一次導(dǎo)數(shù)，[7> + GT Li為在托輪外表面上的一次導(dǎo)數(shù)Tx和O .T之和的值；公式(4)為溫度函數(shù)T在托輪內(nèi)部的初始條件，T 11 = C1為時間為零時的托輪內(nèi)部初始溫度函數(shù)值； 上述公式中的物理量分別為 K為導(dǎo)熱系數(shù)，P為密度，Cp為比熱容； ，為熱交換系數(shù)；這些物理量為托輪材料的性能參數(shù)，通過材料手冊或?qū)嶒灉y試獲 得; I1為外緣面處點的坐標；12為輪軸孔處點的坐標山和I2的值均可以由能量密度圖中的比例得到； 根據(jù)托輪溫度函數(shù)的邊界條件公式(2)和公式(3)以及初始條件公式(4)求解公式(I)，得到托輪內(nèi)部的溫度T分布 當時間變量t趨于無窮大時，因托輪內(nèi)部熱源fx與外界熱交換達到平衡狀態(tài)，可得到托輪內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)溫度分布函數(shù)或者曲線，令溫度函數(shù)T對X坐標的一次導(dǎo)數(shù)Tx=O或取溫度分布曲線的最大值，即可得到平衡狀態(tài)下的最大溫度值Tmax及其對應(yīng)的坐標值X，從而得到最大溫度值Tmax的坐標點距外緣面的距離S ； ⑷進行托輪工作狀態(tài)下的熱力學狀態(tài)分析、托輪制作材料及轉(zhuǎn)速的最佳選取，以下步驟沒有順序； ①通過溫度場分布函數(shù)或者曲線，得到托輪在工作過程中的熱力學狀態(tài)； ②最佳材料的選取 a.如果Tmax< HDP，說明托輪內(nèi)部在受壓狀態(tài)下所產(chǎn)生的最大溫度值Tmax小于材料本身的熱變形溫度HDP，那么托輪在長期的工作過程中是安全的； b.最大溫度點到托輪外緣面的距離S越小，說明托輪內(nèi)部與外界越容易進行熱量交換，也就越有利于延長托輪的使用年限； ③最佳轉(zhuǎn)速的選取 對于同一種托輪材料，托輪內(nèi)部的Tmax值與托輪轉(zhuǎn)速呈正比例關(guān)系，當Tmax越接近熱變形溫度HDP時，托輪的轉(zhuǎn)速也就越接近托輪材料所能承受的最大值，這時的轉(zhuǎn)速即是托輪在工作過程中的最佳轉(zhuǎn)速。
全文摘要
一種基于力學和熱力學的受壓托輪溫度分析方法，屬于非金屬材料領(lǐng)域。該方法以有限元力學分析及熱力學分析為基礎(chǔ)，通過材料試驗力學獲得有限元力學分析所需要的材料彈性模量、彈性極限強度及應(yīng)力應(yīng)變曲線等實測值。利用有限元得到托輪在受壓變形過程中產(chǎn)生的塑性變形能量。由于托輪在實際工作過程中會受到反復(fù)的擠壓，因此塑性變形能量最終轉(zhuǎn)化成促使托輪內(nèi)部溫度升高的熱源。根據(jù)熱力學分析，得到托輪內(nèi)部的溫度場分布函數(shù)或曲線及熱交換平衡狀態(tài)下的最大溫度值及位置。利用溫度場分布函數(shù)或曲線實現(xiàn)了托輪在工作過程中熱力學狀態(tài)的分析預(yù)測；根據(jù)熱交換平衡狀態(tài)下的最大溫度值及其位置的比較結(jié)果，將其作為托輪制作材料及轉(zhuǎn)速選取的依據(jù)。
文檔編號G01M13/00GK102706546SQ20121014412
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者任冬云, 孫永生, 崔秀國 申請人:北京化工大學