鈦管數(shù)控加熱彎曲過(guò)程界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料成形領(lǐng)域，具體是一種大直徑薄壁難變形鈦管數(shù)控加熱彎曲過(guò)程 中界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，大直徑薄壁(管材外徑DMOmm，管材外徑D/管材壁厚t>20)鎂合金、鈦合金 等彎管件以其比強(qiáng)度高，輕量化等優(yōu)點(diǎn)在航空、航天、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的 應(yīng)用。數(shù)控加熱彎曲是精確成形大直徑薄壁彎管件的一種有效途徑。然而，大直徑薄壁難變 形管材加熱彎曲是一個(gè)多模具、多邊界條件約束的復(fù)雜熱力耦合過(guò)程，溫度分布對(duì)管件彎 曲成形的可重復(fù)性、成形質(zhì)量、成形極限以及模具壽命有很大影響，而接觸面間界面?zhèn)鳠嵯?數(shù)直接影響管材加熱彎曲過(guò)程中模具與模具、模具與管材間溫度分布。界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不僅 測(cè)量困難，而且還受到各種因素的影響，如壓力、表面粗糙度、潤(rùn)滑劑厚度等。因此，為了制 定合理的加熱工藝參數(shù)以及實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)值建模分析，迫切需要獲得準(zhǔn)確的模具與模具、 模具與管材間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。
[0003] 金屬接觸界面間傳熱系數(shù)的相關(guān)研究，一直受到大量科研工作者和相關(guān)企業(yè)的重 視。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，授權(quán)公告號(hào)為CN10166009A的發(fā)明創(chuàng)造中公開(kāi)了一種固體 界面間傳熱系數(shù)的測(cè)量方法和裝置，該裝置能實(shí)現(xiàn)溫度范圍在150°C~1300°C及接觸壓力 在0~600MPa的動(dòng)態(tài)接觸測(cè)量，但是該裝置要求在真空條件下進(jìn)行，且主要用于金屬熱鍛時(shí) 界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的測(cè)量。授權(quán)公告號(hào)為CN10166009A的發(fā)明創(chuàng)造中公開(kāi)了一種測(cè)量金屬熱成 形界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的裝置及方法，該裝置能實(shí)時(shí)測(cè)量坯料與模具接觸界面的溫度，直接測(cè)量 與坯料接觸的模具表面的溫度，可實(shí)時(shí)反映和計(jì)算坯料與模具間的接觸傳熱并通過(guò)計(jì)算獲 得待測(cè)試樣的界面接觸傳熱系數(shù)。但是，上述發(fā)明創(chuàng)造都需要測(cè)量接觸界面上坯料與模具 的溫度，而在多模具內(nèi)外約束加載下，大直徑薄壁難變形管材熱彎過(guò)程中接觸界面上管材 和模具溫度的準(zhǔn)確測(cè)量十分困難。此外，大直徑薄壁管材數(shù)控加熱彎曲是一個(gè)多模具約束 下多因素耦合的復(fù)雜物理過(guò)程，各模具與模具、模具與管材間不同的接觸條件導(dǎo)致需要確 定多個(gè)接觸面間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，因此采用以上方法并不能準(zhǔn)確高效地測(cè)量數(shù)控?zé)釓澾^(guò)程 中的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有測(cè)試方法不能準(zhǔn)確全面地獲得管材數(shù)控加熱彎曲中模具與模具間、 模具與管材間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種鈦管數(shù)控加熱彎曲過(guò)程界面?zhèn)鳠嵯?數(shù)的確定方法。
[0005] 本發(fā)明的具體過(guò)程是：
[0006] 步驟1:建立大直徑薄壁純鈦管數(shù)控?zé)釓澇尚渭訜徇^(guò)程有限元模型。
[0007] 步驟2:確定芯棒與芯棒支座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMH。
[0008] 在確定芯棒與芯棒支座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMH時(shí)，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法確定芯棒各測(cè) 量點(diǎn)在加熱過(guò)程中的溫度變化曲線。建立所述芯棒加熱過(guò)程的有限元模型，將芯棒與芯棒 支座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMH作為模型參數(shù)，對(duì)所述芯棒的單獨(dú)加熱過(guò)程進(jìn)行多次有限元模擬， 采用反算法和二分法，通過(guò)公式[10]，對(duì)每一次模擬所使用的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMH進(jìn)行修正；
[0010] 式中：f1為第η次模擬計(jì)算時(shí)芯棒與芯棒支座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMH的值和 分別為變化的上限和下限。ATmh為芯棒支座上通過(guò)有限元模擬得到的溫度與實(shí)驗(yàn) 實(shí)測(cè)溫度的差值。
[0011] 將每一次修正后的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)再代入模型中進(jìn)行下一次模擬；當(dāng)芯棒上模擬的 各測(cè)量點(diǎn)在加熱過(guò)程中的采樣溫度與實(shí)驗(yàn)得到的各測(cè)量點(diǎn)在加熱過(guò)程中的溫度相差在5°C 以內(nèi)時(shí)，該模擬所用的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMH作為芯棒與芯棒支座間的最終確定的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù) kMH 〇
[0012] 所述確定芯棒與芯棒支座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMH中：
[0013] 通過(guò)電阻加熱棒將與芯棒支座裝配在一起的芯棒加熱至300°C并獲取該加熱過(guò)程 中芯棒的溫度變化曲線；
[0014] 所述修正模擬的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的過(guò)程如下:將芯棒與芯棒支座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMH 作為有限元模型的參數(shù)進(jìn)行多次有限元模擬，模擬開(kāi)始前為kMH設(shè)定一個(gè)初值<。當(dāng)芯棒支 座上模擬的溫度比實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度低時(shí)，需調(diào)高芯棒與芯棒支座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMH;當(dāng)芯 棒支座上模擬的溫度比實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度高時(shí)，需調(diào)低芯棒與芯棒支座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMH。 重復(fù)上述調(diào)節(jié)過(guò)程，直至芯棒上模擬的溫度與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)溫度的差值在5°C以內(nèi)。
[0015] 步驟3:確定隔熱板與壓力模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kBH和壓力模與隔熱板間界面?zhèn)鳠?系數(shù)kro。
[0016] 采用第二步中確定芯棒與芯棒支座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMH的方法，確定隔熱板與壓力 模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kBH，和壓力模與隔熱板間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k PB。
[0017] 所述確定隔熱板與壓力模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kBH和壓力模與隔熱板間界面?zhèn)鳠嵯?數(shù)kpB的具體過(guò)程是：
[0018] 將裝配在一起的壓力模、隔熱板和壓力模座中的壓力模加熱至300°C，并獲取該加 熱過(guò)程中壓力模的溫度變化曲線;通過(guò)公式[11]得到隔熱板與壓力模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k BH 和壓力模與隔熱板間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kra的比值為5，即kpB: kBH = 5。
[0020]式中：Sbh為隔熱板與壓力模座之間的面積;Spb為隔熱板與壓力模之間的面積； [0021] Δ Tbh為隔熱板與壓力模座之間的溫差；Δ Tpb為隔熱板與壓力模之間的溫差。
[0022]建立上述壓力模加熱過(guò)程的有限元模型，將隔熱板與壓力模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kBH 和壓力模與隔熱板間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kPB作為模型參數(shù)進(jìn)行多次有限元模擬，采用反算法和二 分法，利用公式[12]，對(duì)每一次模擬所使用的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別進(jìn)行修正。
[0023]
[0024] 式中，G1為第η次模擬計(jì)算時(shí)壓力模與隔熱板間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kPB的值，Af1為第η 次模擬計(jì)算時(shí)隔熱板與壓力模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kBH的值;衫?1和分別為變化的上 限和下限，々?1和/d,分別為g-1變化的上限和下限；ΛΤβα為隔熱板上通過(guò)有限元模擬得到 的溫度與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)溫度的差值;ATph為壓力模座上通過(guò)有限元模擬得到的溫度與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè) 溫度的差值。
[0025]將所述隔熱板與壓力模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kBH和壓力模與隔熱板間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù) kPB均作為有限元模型的參數(shù)進(jìn)行多次模擬，模擬開(kāi)始前為kPB和kBH分別設(shè)定初值 < 和拉， 并且 t ：一 Sd
[0026] 當(dāng)隔熱板模擬的溫度值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度值之差大于5°C時(shí)，所述調(diào)整隔熱板與 壓力模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kBH和壓力模與隔熱板間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k PB的具體過(guò)程是：當(dāng)隔熱 板模擬的溫度比實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度高時(shí)，需調(diào)低隔熱板與壓力模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kBH和壓力 模與隔熱板間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k PB;當(dāng)隔熱板模擬的溫度比實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度低時(shí)，需調(diào)高隔熱 板與壓力模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kBH和壓力模與隔熱板間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k PB。重復(fù)上述調(diào)節(jié)過(guò) 程，直至隔熱板的模擬溫度與實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)溫度差值在5°C以內(nèi)。
[0027] 當(dāng)壓力模座上模擬的溫度值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度值之差大于5°C時(shí)，所述調(diào)整隔熱 板與壓力模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kBH和壓力模與隔熱板間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k PB的具體過(guò)程是:在 保證隔熱板上模擬的溫度不變的條件下，當(dāng)壓力模座上模擬的溫度比實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度低 時(shí)，需調(diào)高隔熱板與壓力模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k BH和壓力模與隔熱板間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kPB;當(dāng) 壓力模座上模擬的溫度比實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度高時(shí)，需調(diào)低隔熱板與壓力模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù) kBH和壓力模與隔熱板間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kPB。重復(fù)上述調(diào)節(jié)過(guò)程，直至壓力模座上模擬的溫度 與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)溫度的差值相差在5°c以內(nèi)。
[0028] 步驟4:確定芯棒與管子間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMT、防皺模與防皺模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù) kwH和防皺模與彎曲模間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kwB的初值。
[0029] 通過(guò)實(shí)驗(yàn)和解析法，得到芯棒與管子間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMT、防皺模與防皺模座間界 面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kWH和防皺模與彎曲模間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k WB的初值。將壓力模和芯棒加熱至300 °C，并獲取壓力模的溫度變化、芯棒的溫度變化和防皺模上的溫度變化。在實(shí)驗(yàn)得到的溫度 變化曲線的基礎(chǔ)上，通過(guò)解析法獲取芯棒與管子間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMT、防皺模與防皺模座間 界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k?和防皺模與彎曲模間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k?。
[0030] 將每一次修正后的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)代入模型中進(jìn)行下一次模擬，最終確定隔熱板與 壓力模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kBH和壓力模與隔熱板間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k PB。
[0031] 步驟5:確定各傳熱系數(shù)。所述的各傳熱系數(shù)包括:芯棒與管子間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMT、 防皺模與防皺模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kra、防皺模與彎曲模間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kwB、壓力模與管子 間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k PT和彎曲模與鑲塊間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kBI。
[0032] 將壓力模和芯棒加熱至300°C，分別獲得該加熱過(guò)程中的壓力模、芯棒、防皺模、彎 曲模和夾持模上的溫度變化曲線;通過(guò)公式[15]得到防皺模與彎曲模間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k?和 彎曲模與鑲塊間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1^的比值，
[0034] 式中：Swb為防皺模與彎曲模的接觸面積;Sbi為彎曲模與鑲塊的接觸面積；△ Twb為 防皺模與彎曲模的溫差；A Tb1為彎曲模與鑲塊的溫差。
[0035] 建立所述模具和管材完全裝配后加熱壓力模和芯棒的有限元模型，將界面?zhèn)鳠嵯?數(shù)作為模型參數(shù)進(jìn)行多次有限元模擬，采用反算法和二分法，對(duì)所述模具和管材完全裝配 后加熱壓力模和芯棒的模擬過(guò)程中每一次模擬所使用的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)進(jìn)行修正;將每一次 修正后的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)代入模型中進(jìn)行下一次模擬。當(dāng)模具上模擬的溫度與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)溫度 相差在5°C以內(nèi)時(shí)，確定接觸面上的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。
[0036] 在確定芯棒與管子間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMT、防皺模與防皺模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)km和 防皺模與彎曲模間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)km的初值時(shí)，根據(jù)防皺模上溫度變化曲線的斜率大小，將 整個(gè)加熱階段分為部分傳熱階段、完全傳熱過(guò)程和穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。
[0037] 基于實(shí)驗(yàn)得到的部分傳熱階段的數(shù)據(jù)，通過(guò)公式[13]得到芯棒與管子間界面?zhèn)鳠?系數(shù)kMT的值。
[0039]式中：Cw為防皺模材料的熱容;mw是防皺模的質(zhì)量；Srr是防皺模與管子的接觸面 積;TwdPTw2是防皺模在不同時(shí)間點(diǎn)的溫度;ATdP AT2是防皺模與芯棒之間在不同時(shí)間點(diǎn) 的溫差;At是時(shí)間間隔。
[0040]根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程的數(shù)據(jù)，通過(guò)公式[14]得到防皺模與防皺模座間界 面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kwH和防皺模與彎曲模間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kWB的值為k? = kWB。
[0042] 式中：Swb是防皺模與彎曲模之間的接觸面積;Sra是防皺模與防皺模座之間的接觸 面積;Tm是芯棒內(nèi)側(cè)的溫度，Tw是防皺模的溫度，Tb是彎曲模的溫度。
[0043] 在確定芯棒與管子間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMT和防皺模與防皺模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k? 時(shí)：
[0044] 將芯棒與管子間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)kMT和防皺模與防皺模座間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k?作為有 限元模型的參數(shù)進(jìn)行模擬。模擬開(kāi)始前根據(jù)得到的kMT的值設(shè)定有限元模擬使用的參數(shù)kMT 的初值為#，根據(jù)