退火炉底板热结构耦合的有限元分析

合集下载

宏微运动平台热-结构耦合有限元分析及优化

机械设计与制造
１６２ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第９期２０１４年９月
宏微运动平台热一结构耦合有限元分析及优化
刘
升∽，隆志力２张洪１，赵季平２
（１．广东工业大学，广东广州５１０００６；２．哈尔滨工业大学深圳研究生院，广东深圳５１８０５５；３．东莞华中科技大学制造工程研究院，广东东莞５２３８０８）
（５）
计算中在连接架端面施加恒定的温度值，所以，厂（ｘ，Ｙ，ｚ，ｔ）为已知常数。连接架及柔性铰链平台其它与空气接触的表面施加的边界条件为第三类边界条件：
（６）叫譬Ｉ＝ｈ（卜ｒ）式中：卜固体温度；ｒ一流体介质的温度；＾一换热系数；带入边
下的耦合场特陛开展深入研究。
界条件对上述矩阵等式进行迭代求解可得到全部网格节点的温度值。根据圣维南原理，在结构分析过程中热载荷和其它机械载荷的作用可以线性叠加，因此可以分别计算各类载荷产生的应变，然后进行线性叠加。对于各向同性的材料热应变只有正应变剪切应变为０。根据线弹性理论的本构关系，可得到三维直角坐标系中沿着三个坐标轴的正应变：
摘要：采用有限元热分析方法，构建宏微运动平台的热一结构耦合分析模型，对宏微运动平台的连接架及柔性铰链平台开展热特性分析：耦合场分析结果发现，相比无温度场载荷条件，连接架及柔性铰链平台的变形量增大。对运动平台的关键部件连接架进行尺寸优化，尺寸优化后的连接架最大变形量减少１５．２％，总质量减少１２．６％，最大应力减少２０．３％：补充了传统的仅考虑结构载荷影响的方法，为运动平台的超精密定位和稳定运行提供更为全面
万方数据
第９期
刘
升等：宏微运动平台热一结构耦合有限元分析及优化
１６３
学开发了ｘ—ｙ精密运动平台，能够实现ｚ、ｙ和０方向上分辨率为２ｒｉｍ、２ｎｍ及０．２１ｘｍｔｌＯｌ。国内某大学研制成功用于光刻的平台样机，该平台的定位精度可达到十纳米【ｌｏｌ。国内文献对宏微运动平台的研究多侧重于直线电机、压电陶瓷驱动器、柔性铰链特性或对其组合系统特性的研究，而对运动平台的温度场特性分析以及热应力、应变对平台定位精度的影响却鲜见报道。通过热一结构耦合分析，考虑热载荷和结构载荷共同作用下对连接架和柔性平台的影响，并通过ＡＮＳＹＳ目标驱动优化技术，对宏微平台关键部件连接架进行尺寸优化，为宏微双驱动精密定位平台的精密设计提供支持。

热-结构耦合分析

热－结构耦合分析1 前言增压器的工作原理是，通过发动机废气推动涡轮叶轮高速旋转，吸收发动机排气的能量，同时带动同轴的压气机叶轮，压缩新鲜空气到发动机气缸内，起到增压的目的。

涡轮叶轮不仅承受着高转速所带来的离心力作用，还要面对发动机所排出的700℃左右的高温，因此涡轮叶轮的可靠性就显得尤为重要。

一般的涡轮叶轮采用镍基高温耐热合金材料，有良好的高温机械性能，但由于其密度大，直接影响增压器的加速性。

采用轻质材料可以大幅度提高增压器瞬态响应性，但材料的高温特性还需要进一步验证。

本文讨论涡轮叶轮采用钛铝合金后，针对试验前期的强度计算、试验结果分析以及试验后再进行的强度验算等情况的变化，进行了分析和总结，同时根据分析结果修改了叶轮设计过程的强度计算方法，进一步提高了设计准确度。

2 涡轮叶轮结构、材料特性和计算边界条件本文研究的涡轮叶轮为向心混流式叶轮，叶轮最大直径为136.2mm，叶片由12 片组成，整个叶轮重量在采用了钛铝合金材料后，由原来的2.4 公斤减为1.15 公斤。

该材料密度为3.9g/cm3，常温下屈服强度σp0.2＝452MPa，抗拉强度σb＝533Mpa，随温度变化趋势图见图1，材料性能如表1 所示。

图1 钛铝材料抗拉强度、屈服强度趋势图表1 TiAl 涡轮叶轮材料性能为了降低计算规模，根据涡轮叶轮旋转对称结构的特点，在计算过程中取叶轮的1/12 模型，设置周期性边界进行计算、分析。

网格选用8 节点六面体实体单元SOLID45，在叶片的圆角处进行了网格细化，同时根据实际情况定义了位移约束。

3 试验结果分析涡轮叶轮采用钛铝合金材料后，为验证其可靠性，进行了超速破坏试验，当增压器转速达到90000 转/分钟后，涡轮叶轮发生断裂，如图2 所示。

经初步分析，叶轮可能是从轮背与轴的交界处开始断裂的，断裂位置如图3 所示。

图2 TiAl 涡轮叶轮破坏情况图3 TiAl 涡轮叶轮断裂位置试验结果和前期设计过程中叶轮静强度计算结果对比发现，叶片最大应力集中的区域，并不在试验样件断裂的位置，最大应力集中区域为图4 标识区域中叶片根部，为605.259MPa，实际断裂位置为470.962MPa。

薄管板结构废热锅炉有限元分析

和换热管接头，热端管板表面覆盖硅酸耐火混凝土，换热管、中心管热端插陶纤纸缠绕的刚玉套管保护。
表１设计参数
结构应力计算涉及复杂结构、复杂工况和边界条件，
缺乏直接简练的计算公式。ＡＳＳ有限元方法能ＮＹ
（）性薄管板挠度平衡管壳间温差变形，２柔未
从公式中体现出来；（）３计算时假定管板与壳体连接处属固支，与
实际的挠性边界不符；（）简单布管区、４不布管或支撑点间面积区划分
计算直径缺乏理论依据，计算管板厚度偏厚或偏薄；（）薄管板刚度小，５换热管对管板拉撑作用更强，换热管轴向力在拉脱力和换热管材料许用应力
・３・
２有限元计算过程
２１废热锅炉计算工况．
座都是长圆孔固定，热器基本可以自由移动，换在简体中部下截面处约束了轴向位移。（）（）况设１、２工
备材料各物理参数由温度决定，须先作温度场计算，温度场计算结果导入结构应力计算中的温度载荷部分，不含热膨胀产生的热应力的计算通过设热膨胀系数为０来实现。
中图分类号：Ｑ０３２Ｔ９Ｔ５．；Ｈ４文献标识码：Ａ文章编号：１０－２１２１）４）０４０９３８（０１０４０１）５
ＦｉｉｅｅｔＡｎｌｓｓｆｒＷａｔａｉｒｗｉｉｂｓｅｔｎｔＥｌｍｎａｙｉｏｅｓｅＨｅｔＢｏｌｔＴｈｎＴｕｅｈｅｅｈ

热处理工艺设计有限元分析软件

飞机起落架淬火后的预测变形
变速器输出轴热处理过程中的温度场
变速器输出轴热处理过程中的应力场
齿轮经不同淬火工艺后的残余应力
单齿疲劳强度试验
10:1 maximum to minimum load ratio Servohydraulic test machine at 40 cps Runout is defined as 107 cycles without failure
热处理工艺设计有限元分析软件
Copyright DCT Inc. 2010
DANTE 热处理工艺分析软件

DANTE是以有限元为基础的热处理工艺模拟商业化软件.

可以精确模拟加热和冷却工艺中的传热过程.
经实验验证的力学模型、相变模型、渗碳模型和数据库.

可用于模拟液体浸入淬火、气淬淬火、快速淬火、模具淬火. 可用于模拟低温回火热处理工艺.
相变模型及参数确定
Custom kinetics model:
Kinetics based on dilatometry data Kinetics based on TTT curves Kinetics based on CCT curves Kinetics based on Jominy data
AISI 1045 Steel 带导向槽轴形件
曲轴件热处理模拟
During Cooling
曲轴热处理模拟: 温度
曲轴热处理模拟: 奥氏体
曲轴热处理模拟: 切开面奥氏体
曲轴热处理模拟: 变形预测
飞机起落架热处理变形模拟预测
飞机起落架高度大约3.5米材料: 300M
飞机起落架淬火过程中的温度场

滑动摩擦热-结构耦合的有限元分析

（２）忽略因热辐射导致的热损失；
的矛盾。接触协调条件采用了在接触平衡迭代中增加接触刚度的罚函数法和增加附加自由度的拉格朗日乘
子法相结合的增强拉格朗日法。为使模型的计算收敛
于精确解，对靠近接触面的特定区域细化网格，控制
网格密度，划分后的模型如图２所示。
面，采用接触单元ＣＯＮＴＡＣＴ１６９。在接触协调中定义的罚函数应与穿透量相适应，以解决收敛时间和精度
试验过程中，接触面由摩擦产生热，这些热以热
流的形式分别进入上试样和下试样。为了使问题易于处理，但不失去其意义，作出以下假设：（１）忽略泄漏所带走的摩擦热；
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｈｅａｔ — ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆｓｌｉｄｉｎｇｆｉｃｒｔｉｏｎｐａｉｒｓｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳｉｎｆｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｔ— ｆｗａｒｅ，ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｆｅｌｄａｎｄｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｉｅｆｌｄｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｅｉｎａｖａｉｅｒｔｙｏｆｓｐｅｅｄａｎｄｌｏａｄｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄａｎｅｘｐｅｉｍｅｒｎｔｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｖｅｉｆｒｙｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅ１．Ｔｈｅｒｅ —

罩式退火炉空心密封圈的结构-热耦合有限元分析

ｌｇｆｒａｅＢｙｕｉｇｎｎｌｎａｎｔｎｙｉｍｅｈｄ，ｉｅｅｔｋｎｓｏｏｌｗｂｅｅｓｗｅｅａａｙｅｎｔｅｓｍｅｉｕｎｃ．ｓｎｏ－ｉｅｒｆｉｅａａｓｓｎｉｌｔｏｄｆｒｎｉｄｆｈｌｆｏｒｂｒｓａｒｎｓｄｉｈａｕｌｌｗｏｋｎ０ｄｔｎ，ｎｈｎｌｅｃｆｔｅｔｅｍａｔｅｓｄｉｎｉｎｏｎｅｉｍｅｅｎｌｓｉｄｌｓｏｂｅｍ－ｒｉｇｃｎｉｏａｄｔｅｉｆｎｅｏｈｈｒｌｓｒｓ，ｍｅｓｏｆｉｎｒｄａｔｒａｄｅａｔｃｍｏｕｕｆｒｂｒｉｉｕｕ
ＲｕｂｒＳａｏｏ．ｙｅＡｎｅｌｇＦｒａｅｂｅｅｌｆｒＨｏｄｔｐｎａｉｕｎｃｎ
ＳｏｇＪｎｈｎＭａＧａｇＷａｇＣｈｎｚｏｕＰｅｇＳａＺｈｎｉｇｎｉｃｕｎｎａｇｈｎｉａｇＪｎｍｅｉ
在罩式退火炉的实际安装位置，如图１所示，密封圈的实际截面尺寸及相应密封圈槽形状，如图２所示，
作过程中受到多种载荷的复合作用，既有炉罩给它向下的压力，又有外部大气压和炉内气体对其的压力，还有因为炉罩的温度变化而对其施加的温度载荷。由
于空心密封圈所密封的气体压强较低，所以造成密封
圈失效的主要原因是在炉台的反复挤压过程中的疲劳
失效，而空心密封圈的结构尺寸和材料的弹性模量是影响其使用寿命的２主要因素。在国内，对于形状个

基于有限元仿真技术的冷轧退火生产优化

２．３仿真模拟结果由轨迹线云图可知（见图２），保护气体在
ａ轨迹线罔
ｈ速度矢量图
炉台边缘处的气氛流动情况
图２罩式炉内部流场
２０１８年第１期
姚敏，等：基于有限元仿真技术的冷轧退火生产优化
３３
ａ改进前
ｈ改进后
炉内保护气体作为传热介质，通过热对流和热辐射加热钢卷，随着气体流速提升，循环效果增强，这将提高钢卷的升温速率。对钢卷进行热电偶插片实验，在钢卷牌号相同，规格重量相近的情况下，当加热到７００ｃ【：保温温度时，３号退火机组钢卷的热点平均温度为６２７
２炉内流场模拟分析
２．１几何模型与网格模型
采用三维绘图软件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立炉内流场几何模型，采用有限元分析软件ＡｎｓｙｓＷｏｒｋ— ｂｅｎｃｈ建立流场网格模型，为提高计算效率，降
２０１８年第１期
姚敏，等：基于有限元仿真技术的冷轧退火生产优化
由速度矢量云图可知（见图２ｈ），保护气体经炉台扩散器吹出后，在壁面及扩散器导流板附近形成多个涡流区，造成气体流速损失严重。为进一步对该涡流区进行分析，建立Ｘ＝０处坐标面，得到该坐标面的速度矢量截面图，对截面图中内罩与扩散器之间存在的涡流区域进行局部放大，并对速度矢量箭头进行放大处理，气体沿扩散器导流板开口方向流动，离开导流板后气体与内罩成一定斜角流向内罩壁，在壁面的阻挡下，气体发生分流，部分气体沿壁面上升，部分气体则行成朝向炉台中心方向的涡流，其余部分气体则沿内罩壁面向炉台底部螺旋流动，并形成如流场轨迹线云图所示的炉台底部周向循环（见图３ｃ）。在这一过程中，气体流速损失严重，并导致气氛循环效果变差，同时部分气体携轧制油与乳化液流向炉台底部，使得轧制油和乳化液堆积在炉台法兰面，进而堵塞炉台排油管路，影响钢卷表面质量和设备稳定性

加热炉夹层底板的有限元分析

施加的温度边界条件（３为所有循环水的图）
两侧温度１８，热管和简体内壁温度３０，６℃ 换０℃
下底板
环境温度２ ℃ ，１、及轴向端面设置为绝热。０面２
图１加热炉底板结构
第３８卷第４期
化工机械
４５４
加热炉夹层底板的有限元分析
何家胜刘杰薛建设徐青山陈才
（．武汉工程大学机械工程学院；２１．武汉三联节能环保工程有限公司）
到如图８、示的上底板一次应力Ｐ和一次加９所二次应力Ｐ＋Ｐ＋Ｑ的应力值曲线图；方案二对改变底板厚度ｔ行计算，到如图１、１示进 ‘ 得０１所的上底板一次应力Ｊ和一次加二次应力Ｐ＋Ｐ・图１上底板为３６时各路径上的Ｐ１１ＬＭ＋Ｐ＋Ｑｂ由Ｊ４３Ｂ７２可知，料的一次应力Ｐ材要满足Ｐ ≤ １５［］并且一次加二次应力要满足．，ＰＭ＋尸＋Ｑ≤３ｏ］结合Ｇ１０可知两种板材的ｈ［ｒ，Ｂ５
体内介质、却介质及空气的对流传热系数分别冷
为１０４、５６／（・℃ ）６４３、Ｗｍ。
温度场分析时采用的实体单元为ＳＬＤ０ＯＩ７，另外使用ＳＥＬ７单元辅助建模。对建立的模ＨＬ５型进行网格划分，图２所示。如

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢｙｕｓｉｎｇｔｈｅｉｆｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｉｗｆａｒｅＡＮＳＹＳａｎｄｔｈｅｉｎｄｉｒｅｃｔｃｏｕｐｌｉｎｇｒｉｎｇａｎｎｅａｌｉｎｇｆｕｍａｃｅｂｏｔｔｏｍｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙｒｅｖｅａｌｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｎｄａｓｔｒｅｓｓｉｅｆｌｄｄｓｉｔｒｉｂｕｔｉｏａｆｆｏｕｒｎ．￣ｅｂｏｔｔｏｍｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｅｋｅｙｐｏｉｎｔｓｉｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｓｎａｂｏｕｔｔｈｅｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｏｆｆａｃｏｔｒ．Ｆｉｒｓｔｆｏａｌｌ，ｔｈｅｅｄｉｔｉｎｇｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｔｅｍｐｅｒｔａｕｒｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｙｉｎｇｔｈｅｃｏｅｆｉｃｆｉｅｎｔｆｏｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅｈｅｔａｔｒａｎｓｆｅｒｒｅａｆｏｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｔｏｅｍｐｅｒｔａｕｒｅｉｆｅｌｄｏｆｆｕｒｎａｃｅｂｏｔｔｏｍ．Ｔｈｅｎ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｅｆｌｄ，ａｐｐｌｉｅｓｔｈｅｈｅａｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｕｐｌｉｎｇｔｏ
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨｕｂｅｉＷｕｈａｎ４３００８１，Ｃｈｉｎａ；２．ＤｅｓｉｇｎＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＨｕｂｅｉＨｕａｚｈｏｎｇＨｅａｖｙＭａｃｈｉｎｅｒｙＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＨｕｂｅｉＥｚｈｏｕ４３６０００，Ｃｈｉｎａ）
Ｔｈｅｒｍａｌ－ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＣｏｕｐｌｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＡｎｎｅａｌｉｎｇＦｕｒｎａｃｅＢｏｔｔｏｍＵｓｉｎｇＦＥＡ
ＧＡＯＱｕａｎ－ｊｉｅ，ＹＩＦａｎ，ＷＡＮＧＺｈａｏ－ｈｕｉ，ＪＩＮＲｏｎｇ２
ｃｏｄｕｎｃｔｔｈｅｍａｒｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｕｐｌｉｎｇａｎｌｙａｓｉｓｆｔｏｅｍｐｅｒｔｕａｒｅｉｅｆｌｄａｄｎｅｘｔｅｒｎｌａｌｏａｄｆｏｒｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．ｈｅＴａｎｌａｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｃｏｍｂｉｎｅｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕｌａｗｏｒｋｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｆｏｕｒｎ￣ｃｅｂｏｔｔｏｍｏｔｎａａｌｙｚｅｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｆａｉｌｕｒｅ，ｔｈａｔｃａｎｈａｖｅｉｍｐｏｒｔａｎｔ
第２期
２０１５年２月
机械设计与制造
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ２６５

退火炉底板热结构耦合的有限元分析
高全杰，易
（１．武汉科技大学机械工程学院，湖北武汉
帆，汪朝晖，金
可以对提高炉底板的使用寿命有着重要的理论指导作用。
关键词：炉底板；温度场；热结构耦合；应力场；对流
中图分类号：ＴＨ１６；ＴＦ０６３＋ｌ
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１ — ３９９７（２０１５）０２ — ０２６５ — ０３
荣
４３００８１；２．湖北华中重型机械制造有限公司设计部，湖北鄂州４３６０００）
摘
要：利用ＡＮＳＹＳ有限元软件并采用间接耦合法对环形退火炉炉底板构件进行热应力分析，为了进一步较为准确地
揭示在热处理过程中炉底板的温度和应力场分布规律，关键点主要是考虑对流换热因素的边界条件。首先，编辑对流环境温度函数以及施加对流换热系数模拟炉底板温度场。然后，在温度场的基础上，采用热一结构耦合的方法，实现温度场与外栽荷的热结构耦合分析，得到炉底板的应力变化分布规律。分析结果结合炉底板实际工作环境来分析失效的原因，