[发明专利]钛管数控加热弯曲过程界面传热系数的确定方法

说明书

一种钛管数控加热弯曲过程界面传热系数的确定方法，基于对实验结果和有限元模拟数据的比对，通过逐步反算法得到了大直径薄壁难变形钛管数控加热弯曲时各接触面的界面传热系数。本发明针对不同的界面传热系数装配并加热相应的模具，进而获得不同情况下不同模具的温度变化曲线，在此基础上利用建立的有限元模型对上述加热过程进行有限元模拟，模拟开始时设置界面传热系数初值，然后将模拟所得模具温度和实验测得的模具温度对比，通过反算法不断修正相应界面传热系数的数值，最终得到准确的界面传热系数。本发明具有精度高、操作简单的特点，不需要直接测量接触面上的温度，能在少量的实验后得到几乎所有接触面上的界面传热系数，节约成本。

技术领域

本发明涉及材料成形领域，具体是一种大直径薄壁难变形钛管数控加热弯曲过程中界面传热系数的确定方法。

背景技术

近年来，大直径薄壁(管材外径D>40mm，管材外径D/管材壁厚t>20)镁合金、钛合金等弯管件以其比强度高，轻量化等优点在航空、航天、汽车工业等领域得到了越来越广泛的应用。数控加热弯曲是精确成形大直径薄壁弯管件的一种有效途径。然而，大直径薄壁难变形管材加热弯曲是一个多模具、多边界条件约束的复杂热力耦合过程，温度分布对管件弯曲成形的可重复性、成形质量、成形极限以及模具寿命有很大影响，而接触面间界面传热系数直接影响管材加热弯曲过程中模具与模具、模具与管材间温度分布。界面传热系数不仅测量困难，而且还受到各种因素的影响，如压力、表面粗糙度、润滑剂厚度等。因此，为了制定合理的加热工艺参数以及实现准确的数值建模分析，迫切需要获得准确的模具与模具、模具与管材间界面传热系数。

金属接触界面间传热系数的相关研究，一直受到大量科研工作者和相关企业的重视。经过对现有技术的检索发现，授权公告号为CN10166009A的发明创造中公开了一种固体界面间传热系数的测量方法和装置，该装置能实现温度范围在150℃～1300℃及接触压力在0～600MPa的动态接触测量，但是该装置要求在真空条件下进行，且主要用于金属热锻时界面传热系数的测量。授权公告号为CN10166009A的发明创造中公开了一种测量金属热成形界面传热系数的装置及方法，该装置能实时测量坯料与模具接触界面的温度，直接测量与坯料接触的模具表面的温度，可实时反映和计算坯料与模具间的接触传热并通过计算获得待测试样的界面接触传热系数。但是，上述发明创造都需要测量接触界面上坯料与模具的温度，而在多模具内外约束加载下，大直径薄壁难变形管材热弯过程中接触界面上管材和模具温度的准确测量十分困难。此外，大直径薄壁管材数控加热弯曲是一个多模具约束下多因素耦合的复杂物理过程，各模具与模具、模具与管材间不同的接触条件导致需要确定多个接触面间的界面传热系数，因此采用以上方法并不能准确高效地测量数控热弯过程中的界面传热系数。

发明内容

为了克服现有测试方法不能准确全面地获得管材数控加热弯曲中模具与模具间、模具与管材间界面传热系数的问题，本发明提出了一种钛管数控加热弯曲过程界面传热系数的确定方法。

本发明的具体过程是：

步骤1：建立大直径薄壁纯钛管数控热弯成形加热过程有限元模型。

步骤2：确定芯棒与芯棒支座间界面传热系数k_MH。

在确定芯棒与芯棒支座间界面传热系数k_MH时，首先通过实验的方法确定芯棒各测量点在加热过程中的温度变化曲线。建立所述芯棒加热过程的有限元模型，将芯棒与芯棒支座间界面传热系数k_MH作为模型参数，对所述芯棒的单独加热过程进行多次有限元模拟，采用反算法和二分法，通过公式[10]，对每一次模拟所使用的界面传热系数k_MH进行修正；

式中：为第n次模拟计算时芯棒与芯棒支座间界面传热系数k_MH的值；和分别为变化的上限和下限。△T_MH为芯棒支座上通过有限元模拟得到的温度与实验实测温度的差值。