GH690合金大型環(huán)件空冷過(guò)程溫度場(chǎng)演化規(guī)律數(shù)值模擬

梁勝龍，馬 俊

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215104)

GH690合金大型環(huán)件空冷過(guò)程溫度場(chǎng)演化規(guī)律數(shù)值模擬

梁勝龍，馬 俊

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215104)

基于DEFORM-3D有限元平臺(tái)，建立了Φ420/Φ280-380mm規(guī)格的GH690合金大型環(huán)件空冷過(guò)程的三維熱彈性有限元模型，對(duì)難變形合金GH690大型環(huán)件空冷過(guò)程中溫度場(chǎng)演化規(guī)律模擬仿真研究，對(duì)合理調(diào)整GH690合金大型環(huán)件冷卻工藝，提高環(huán)件質(zhì)量具有重要意義。

GH690合金；大型環(huán)件；空冷過(guò)程；宏觀規(guī)律；數(shù)值模擬

0 引言

隨著國(guó)防工業(yè)、軍工科技和現(xiàn)在能源產(chǎn)業(yè)的的迅猛發(fā)展，大型化、高特性能化成為金屬環(huán)件新發(fā)展趨向，對(duì)于難變形合金大型環(huán)件的需求日益迫切而廣泛，對(duì)于高精度、高抗腐蝕性能的難變形GH690合金大型環(huán)件的需求日益迫切而廣泛[3,4]，亟需研發(fā)和優(yōu)化難變形合金大型環(huán)件先進(jìn)塑性成形技術(shù)。

而成型的GH690合金大型環(huán)件從熱塑性溫度冷卻至室溫的過(guò)程中，經(jīng)歷了大的塑性變形和從高溫到常溫的變化，溫度變化梯度大，內(nèi)部應(yīng)力分布復(fù)雜，極易產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。由于各種條件所限，很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布情況以及變化規(guī)律。因此，采用有限元技術(shù)從理論上研究大型環(huán)件空冷過(guò)程的溫度和應(yīng)力分布規(guī)律及影響因素，對(duì)合理調(diào)整大型環(huán)件冷卻工藝，提高環(huán)件質(zhì)量具有重要意義。

因此，本文基于DEFORM-3D有限元模擬軟件，建立了Φ420/Φ280-380mm規(guī)格的大型環(huán)件空冷過(guò)程的三維熱彈性有限元模型，對(duì)難變形GH690合金大型環(huán)件空冷過(guò)程中宏觀演化規(guī)律進(jìn)行了模擬仿真研究。模擬分析了該規(guī)格GH690大型環(huán)件空冷過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律以及隨時(shí)間的變化規(guī)律，對(duì)合理調(diào)整大型環(huán)件冷卻工藝，提高環(huán)件質(zhì)量具有重要意義。

1 FEM模型

1.1 數(shù)學(xué)假設(shè)

1) 假設(shè)擠壓環(huán)件溫度分布均勻，忽略環(huán)件與模具接觸面的傳熱；

2) 忽略因擠壓產(chǎn)生的材料各向異性，假設(shè)材料均勻且各向同性，材料不可壓縮，體積保持不變；

3) 空冷過(guò)程屬于靜態(tài)變形，變形速率很小，采用熱彈性模型。

1.2 幾何模型

應(yīng)用PROE軟件進(jìn)行實(shí)體建模過(guò)程中，由于擠壓環(huán)件是回轉(zhuǎn)體，因此，為提高計(jì)算速度和節(jié)省計(jì)算內(nèi)存空間，采用環(huán)件1/12(30°)進(jìn)行建模，幾何模型如圖1所示。

1.3 材料參數(shù)

GH690合金在含氯化物溶液和氫氧化鈉溶液中具有優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力、低腐蝕速率和優(yōu)異的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂抗力，廣泛應(yīng)用于硝酸和氫氟酸環(huán)境中、石油化工及燃燒爐，尤其在核工業(yè)中具有非常廣泛的應(yīng)用前景[5～8]，其材料參數(shù)如表1所示。

圖1 大型環(huán)件幾何模型

表1 GHl690合金材料熱物理參數(shù)

1.4 初始條件和邊界條件

塑性成形過(guò)程的傳熱過(guò)程是一個(gè)很復(fù)雜的熱力學(xué)問(wèn)題。初始條件是指坯料變形開(kāi)始時(shí)的初始溫度分布，一般表示為在控制體積V內(nèi)：

式中T0（x，y，z）為初始狀態(tài)時(shí)坯料的溫度分布。GH690合金的深度塑性加工范圍為1040 ℃～1260℃,環(huán)件擠出模具后，溫度略有下降，因此設(shè)定環(huán)件溫度分布均勻，初始溫度為1000℃[7,8]。

邊界條件是描述外部換熱規(guī)律及其與內(nèi)部導(dǎo)熱之間的關(guān)系，是給定周?chē)橘|(zhì)的溫度變化規(guī)律和與物體表面間的熱交換規(guī)律，包括對(duì)流邊界和輻射邊界。

物體與流體相接觸時(shí)，熱流密度qd與物體邊界溫度T與流體溫度Tf之差成正比，可以表示為：

式中：hc為對(duì)流換熱傳導(dǎo)系數(shù)，0.02N/(S·mm·℃)；Tf為流體溫度。

輻射換熱遵循斯蒂芬-波爾滋曼（Stenfen-Boltzman）定律，由輻射產(chǎn)生的熱流密度qr，可以表示為：

式中：η為材料表面的輻射系數(shù)，0.2N/(S·mm·℃)；φ 為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；Tc為環(huán)境溫度。

2 結(jié)果與討論

圖2給出了GH690合金大型擠壓管空冷過(guò)程中溫度場(chǎng)在不同時(shí)刻的分布云圖?？梢钥闯觯捎诃h(huán)件初始溫度為1000℃，存在和周?chē)h(huán)境的溫度差（環(huán)境溫度為20℃），所以環(huán)件熱能量不斷從環(huán)件內(nèi)外表面流動(dòng)到周?chē)h(huán)境中，環(huán)件表層溫度首先下降，特別是環(huán)件兩端，由于得到心部熱量補(bǔ)償?shù)哪芰^弱，溫降最為嚴(yán)重；隨著空冷的不斷進(jìn)行，環(huán)件整體溫度不斷下降。

環(huán)件的整個(gè)空冷過(guò)程中，坯料金屬溫度分布梯度基本相同，按溫度可以分為高中低三部分：由于環(huán)件兩端熱量補(bǔ)償能力最弱，溫降最為嚴(yán)重，為低溫區(qū)域；環(huán)件兩端與心部過(guò)渡部分和內(nèi)外表層金屬可以不斷獲得心部金屬的熱量補(bǔ)償，屬于中溫區(qū)；心部金屬由于不直接和外部環(huán)境接觸，溫差較小，熱量流失相對(duì)較慢，溫度最高。

圖2 不同時(shí)刻下環(huán)件的溫度場(chǎng)分布云圖

表2給出了不同時(shí)刻環(huán)件溫度分布帶的大小，可以看出，隨著空冷過(guò)程的不斷進(jìn)行，最大溫度和最小溫度均不斷下降，但其差值不斷減小，這是因?yàn)殡S著空冷的不斷進(jìn)行，環(huán)件熱量不斷流失，溫度整體溫度不斷下降，是的環(huán)件與周?chē)h(huán)境的溫差不斷減小，表面與環(huán)境的熱量流失速度變緩，而心部熱量向四周金屬的流動(dòng)收到的影響較弱，因此環(huán)件整體溫差不斷減小。當(dāng)空冷時(shí)間超過(guò)5000s后，整體環(huán)件溫度均已將至250℃以下。

表2 GHl690合金材料熱物理參數(shù)

3 結(jié)論

基于DEFORM-3D有限元模擬軟件，建立了Φ420/Φ280-380mm規(guī)格的大型環(huán)件空冷過(guò)程的三維熱彈性有限元模型，對(duì)難變形GH690合金大型環(huán)件空冷過(guò)程中溫度場(chǎng)演化規(guī)律進(jìn)行了模擬仿真研究。研究發(fā)現(xiàn)：

1) 整個(gè)空冷過(guò)程中，坯料金屬溫度分布梯度基本相同，環(huán)件兩端溫降最為嚴(yán)重，為低溫區(qū)域；環(huán)件兩端與心部過(guò)渡部分和內(nèi)外表層金屬可以不斷獲得心部金屬的熱量補(bǔ)償，屬于中溫區(qū)；心部金屬熱量流失最慢，溫度最高。

2) 隨著空冷過(guò)程的不斷進(jìn)行，最大溫度和最小溫度均不斷下降，但其差值不斷減小，當(dāng)空冷時(shí)間超過(guò)5000s后，整體環(huán)件溫度均已將至250℃以下。

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Numerical simulation of temperature evolution law of air-cooling process of GH690 alloy large-scale ring

LIANG Sheng-long, MA Jun

TG376.9

A

1009-0134(2014)05(下)-0076-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).21

2014-02-18

省級(jí)示范性高職院校建設(shè)項(xiàng)目（蘇教高(2011)23號(hào)）；江蘇省高?！扒嗨{(lán)工程”項(xiàng)目

梁勝龍（1963 -），男，江蘇蘇州人，副教授，本科，主要從事幾何量測(cè)量、機(jī)械工程設(shè)計(jì)的教學(xué)和科研工作。