基于溫度場分析的航空大型烘箱溫度性能研究

熊稚莉，陳 波，蔡豫晉，顧 偉，唐海燕

(成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川 成都 610092)

0 引 言

烘箱是航空材料制造熱加工工藝過程中的重要設(shè)備，在消除材料氫脆、涂層固化改善、產(chǎn)品熱老化試驗、復(fù)合材料固化成型等工序中起到非常重要的作用[1-2]。溫度均勻性是衡量烘箱溫度性能的重要指標(biāo)[3]，國內(nèi)外許多規(guī)范，如AMS2750[4]、CPS8100[5]對溫度均勻性的測量都有明確的要求，并且溫度均勻性測試的符合情況是Nadcap（國家航空航天和國防合同方授信項目，national aerospace and defense contractors accreditation program）等三方審查中重要的考核依據(jù)之一。隨著航空材料向大型整體化制造方向發(fā)展[6]，越來越多的大型烘箱將投入于航空大型零件制造使用。在烘箱的安裝調(diào)試過程中，需要特別關(guān)注溫度性能。在高溫測量領(lǐng)域已有不少關(guān)于改善熱加工設(shè)備溫度性能的研究。馬偉[7]總結(jié)了影響航空制件專用熱處理爐系統(tǒng)精度和溫度均勻性的因素，通過實驗論證了如何運用PID 調(diào)節(jié)改善溫度均勻性。高偉[8]提出了影響空氣循環(huán)爐溫度均勻性的因素及相關(guān)改善方法。姚純[9]從加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)等方面介紹了影響烘箱溫度均勻性的原因及其改善方法。

控制傳感器的位置對烘箱整體溫度性能的影響很大。在工程應(yīng)用中，對于未知溫度分布情況的烘箱，一般根據(jù)工程經(jīng)驗估計溫度中值位置，將控制熱電偶布置于此點，再結(jié)合設(shè)備調(diào)測過程中的溫度均勻性分布結(jié)果，對控制傳感器位置進(jìn)行修正。在有些復(fù)雜情況下，例如烘箱加熱系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計不合理時，需通過優(yōu)化控制傳感器位置和控制參數(shù)來彌補(bǔ)設(shè)計的先天不足，否則容易造成溫度過沖、整體溫度分布偏移、歪斜等情況。

目前，已有不少學(xué)者利用有限元分析法對復(fù)合材料熱壓罐工藝固化成型中溫度場的分布進(jìn)行研究，例如林家冠等[10]等利用FLUENT 流體分析軟件對航空復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型工藝的溫度場和流場特性進(jìn)行了模擬分析；花蕾蕾等[11]以復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐框架式成型模具為對象，應(yīng)用有限元方法，分析模具溫度的分布。但目前并無針對航空大型烘箱，利用仿真分析手段改善其溫度性能的相關(guān)研究。

鑒于此，本文以航空大型烘箱為對象，通過仿真模擬烘箱內(nèi)部溫度場分布，為合理布置控制傳感器的位置提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而提高烘箱的溫度性能。

1 仿真模擬

本文以一大型航空零件制造用烘箱為研究對象，烘箱尺寸（寬×深×高）為6 m×4.8 m×4.1 m，有效工作區(qū)尺寸（寬×深×高）為5 m×3.1 m×2.5 m，頂部均勻分布著12 個攪拌風(fēng)機(jī)。烘箱殼體采用鋼框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)膛骨架設(shè)計斷熱橋，保證良好的絕熱性能；爐體保溫材料采用耐高溫型非石棉保溫材料，保溫層材料厚度不小于150 mm，具有良好的保溫隔熱效果。本烘箱工藝使用溫度范圍：50～85 ℃，本文重點測試烘箱在50 ℃與85 ℃設(shè)定值處的溫度性能。

1.1 烘箱物理模型

烘箱是一個雙層薄壁結(jié)構(gòu)，由內(nèi)膛、殼體組成，為了便于后續(xù)CAE 模型的分析計算，需對烘箱進(jìn)行簡化，處理后的烘箱幾何模型如圖1 所示。

圖1 烘箱簡化后的三維數(shù)模

1.2 烘箱溫度場有限元分析模型

為了使流體計算過程趨于穩(wěn)定，本文對烘箱的熱量交換方式進(jìn)行簡化：取加熱器所在烘箱側(cè)壁頂部為熱量和風(fēng)的入口，烘箱頂端攪拌風(fēng)機(jī)為其出口。烘箱殼體外壁為絕熱壁，此壁面幾乎與外界不存在熱傳遞；內(nèi)膛側(cè)壁為雙側(cè)壁面，即壁面的內(nèi)外區(qū)域均是計算區(qū)域，對于此種壁面不需要設(shè)定任何熱力學(xué)參數(shù)，CAE 軟件會根據(jù)壁面的材料屬性、流體速度以及溫度自動計算流體與壁面之間的對流換熱系數(shù)等熱力學(xué)參數(shù)，只需設(shè)定壁面的厚度材料參數(shù)等。利用仿真軟件CFD 提供的網(wǎng)格前處理工具CFDViscart 對CAD 模型計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所生成的網(wǎng)格類型為笛卡爾自適應(yīng)網(wǎng)格，圖2 為烘箱網(wǎng)格劃分示意圖。

圖2 烘箱的網(wǎng)格劃分

1.3 仿真結(jié)果

本文構(gòu)建的有限元分析模型設(shè)定的升溫模式為：30 min 內(nèi)從室溫15 ℃升至設(shè)定溫度50 ℃，當(dāng)烘箱升至設(shè)定溫度后保溫40 min，從升溫開始至結(jié)束共70 min。

圖3 為29 min 時烘箱整體溫度場分布情況，選取原因是該時刻處于升溫即將結(jié)束而未完全結(jié)束階段，可以看出烘箱的溫度分布在310～317 K（37 ℃～44 ℃）之間，烘箱內(nèi)溫度分布差異較大。差異具體體現(xiàn)在：側(cè)壁溫度較高，中上部溫度適中，側(cè)邊局部區(qū)域溫度較低。圖4 為60 min 時烘箱整體溫度場分布情況，該時刻處于達(dá)到設(shè)定值后保溫一段時間的階段，可以看出烘箱溫度分布在319～324 K（46～51 ℃）之間，側(cè)壁及底部溫度較高，除此之外的中間區(qū)域溫度在321～322 K（48～49 ℃），表明該時刻烘箱內(nèi)部中間區(qū)域的溫度場趨于一致。此外，從仿真結(jié)果細(xì)節(jié)可以觀察到，烘箱側(cè)壁分布著三條豎直溫度帶，該豎直溫度帶低于側(cè)壁整體溫度。該情況與實際情況是符合的：烘箱采用拼接方式搭建，連接處的焊縫容易造成烘箱內(nèi)溫度與外環(huán)境熱交換，導(dǎo)致接縫處溫度低于側(cè)面整體溫度，因此分布著三條低于側(cè)面整體溫度的豎直溫度帶。

圖3 29 min 時烘箱整體溫度場分布

圖4 60 min 時烘箱整體溫度場分布

根據(jù)烘箱內(nèi)部的熱分布仿真結(jié)果可以得出結(jié)論：1）烘箱側(cè)壁溫度較高，而烘箱內(nèi)部中間區(qū)域的溫度場趨于一致，溫度變化梯度小；2）無論是溫度升溫或保溫階段，烘箱內(nèi)部中間區(qū)域中上部位置處溫度適中，靠近整體溫度場的中值。

2 試驗驗證

2.1 控制熱電偶的選型與位置確定

目前烘箱的溫度控制系統(tǒng)一般采用PLC 程序，控制傳感器將溫度信號采集后輸入主控單元，通過PID 運算得出控制量，再通過調(diào)壓模塊來控制電加熱管的加熱，其流程如圖5 所示[12]。在控制傳感器的選型中，由于熱電偶具有測量范圍大、測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)時間快、成本低的優(yōu)勢，因此選用熱電偶作為控制傳感器。

圖5 加熱程序流程圖

在烘箱升溫過程中，控制熱電偶選擇不合理將會極大影響其內(nèi)部溫度性能，直接表現(xiàn)為：溫度均勻性超出容差。控制熱電偶不合理，包括型號規(guī)格與安裝位置兩個方面。控制熱電偶一般為鎧裝廉金屬熱電偶，而測試熱電偶一般采用同分度的易耗型廉金屬熱電偶。由于易耗型熱電偶測量端裸露，響應(yīng)速率比控制偶更快，在升溫過程中控制儀表的溫度總是滯后于實際溫度，致使整體溫度偏高。因此需要將控制偶布置于合理位置，彌補(bǔ)差異性。若選用外徑更粗的控制熱電偶，會使控制儀表溫度的滯后性更加明顯，容易出現(xiàn)溫度過沖現(xiàn)象。另外，若控制熱電偶位置不合理，當(dāng)安裝于烘箱內(nèi)部溫度較高處，會造成爐膛整體溫度偏低；反之，當(dāng)控制偶位于溫度較低處，則會造成整體溫度偏高。

如圖6 所示為理想狀態(tài)下烘箱的溫度曲線變化情況，當(dāng)控制偶達(dá)到設(shè)定溫度時，溫度低點溫度很快能夠到達(dá)容差下限，經(jīng)過控制系統(tǒng)一段時間調(diào)整，烘箱內(nèi)所有溫度均在容差范圍內(nèi)，保持穩(wěn)定。但是，當(dāng)控制傳感器選型和位置不合理時，容易出現(xiàn)溫度過沖。如圖7 所示，在升溫過程中控制偶的溫度滯后于烘箱實際溫度，且遠(yuǎn)小于烘箱內(nèi)溫度高點的升溫速率，從而造成溫度最大值超過容差上限。在航空零件制造生產(chǎn)中，溫度過沖現(xiàn)象是不允許發(fā)生的。

圖6 理想情況下的烘箱溫度曲線

圖7 控制傳感器不合理造成的溫度過沖

本烘箱采用外徑規(guī)格為φ3 mm 的控制傳感器，該種傳感器響應(yīng)速度快，可以很好地使溫度值反饋至控制系統(tǒng)，避免溫度超差。此外，由于烘箱體積較大，設(shè)計為2 區(qū)控溫，每個控溫區(qū)需裝備1 支控制熱電偶。根據(jù)上一章節(jié)中對烘箱內(nèi)部的熱分布仿真結(jié)果,可以得出以下結(jié)論：1）本烘箱的有效工作區(qū)應(yīng)處于烘箱空間的中部，與烘箱底部、側(cè)壁板保持一定距離；2）沿烘箱的前端和后端將有效工作區(qū)平均分為控制1 區(qū)和控制2 區(qū)，控制熱電偶應(yīng)處于控溫區(qū)的中部。考慮到不影響機(jī)翼、垂尾等大型零件的擺放，在高度上控制熱電偶應(yīng)位于控溫區(qū)的上部中間部分。

2.2 試驗安排

烘箱工藝溫度容差為±5 ℃，根據(jù)高溫測量規(guī)范要求，共計布置40 個溫度均勻性測試傳感器，如圖8 所示，現(xiàn)場試驗圖見圖9。其中編號1#和編號2#測試傳感器靠近控制熱電偶，其測量端與控制熱電偶的測量端距離不大于10 mm。本試驗系統(tǒng)所包含的所有測試設(shè)備及傳感器符合AMS 2750 規(guī)定的現(xiàn)場測試儀器與傳感器精度要求[13]，可保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖8 溫度傳感器布置圖

圖9 現(xiàn)場試驗照片

2.3 試驗結(jié)果及分析

2.3.1 試驗與仿真結(jié)果的比較

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)烘箱內(nèi)部所有傳感器達(dá)到設(shè)定值并保持穩(wěn)定后，數(shù)據(jù)采集應(yīng)持續(xù)至少30 min，采集間隔不超過2 min。本文以50 ℃為例，分別沿烘箱的X軸、Y軸、Z軸方向各取兩組測試點，將傳感器所采集的溫度數(shù)據(jù)去除誤差后，計算穩(wěn)定狀態(tài)30 min 期間的平均值，比較測試的平均值與仿真的平均值在空間上的差異。

沿著X軸方向，取編號為8#、18#、29#、39#與6#、16#、27#、37#兩組測試點；Y軸方向，取編號為3#、4#、5#與34#、35#、36#兩組測試點；Z軸方向，取編號為14#、19#、17#與25#、30#、28#兩組測試點，測試值與仿真值的結(jié)果如圖10～圖12 所示。

圖10 X 軸方向的兩組測試點對比

圖11 Y 軸方向的兩組測試點對比

圖12 Z 軸方向的兩組測試點對比

從圖10 中可以看出，測試值和仿真值在X軸方向無明顯分布規(guī)律，溫度范圍在49.9～50.6 ℃。在Y軸方向，測試值與仿真值較為接近，均顯示出了規(guī)律性：沿著Y軸方向，溫度逐漸上升。在Z軸方向，測試值與仿真值的差異明顯，圖4 所示的烘箱整體溫度場分布和仿真值結(jié)果顯示：在烘箱的底層，溫度最高，隨著高度增加，溫度值趨近相同；測試值結(jié)果顯示烘箱中上層的溫度趨近相同，但是底層溫度最低。

通過上述分析，可以看出仿真結(jié)果與試驗結(jié)果在空間上的差異不大，差異主要體現(xiàn)在沿著烘箱高度方向，仿真值顯示底層溫度最高而試驗結(jié)果相反，但是隨著高度的增加，烘箱的溫度值趨近相同，并且試驗值和仿真結(jié)果接近。

2.3.2 不同設(shè)定溫度下試驗結(jié)果的分析

在設(shè)定溫度為50 ℃時，將40 支溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)去除誤差后，得到烘箱內(nèi)部所有測試點溫度分布情況，篩選兩個控溫區(qū)中的溫度最大值和最小值，如表1 所示。

這4 支傳感器的測試值覆蓋了烘箱整體溫度的最大值和最小值，為了便于觀察其內(nèi)部溫度場的整體分布情況，本文繪制了編號為1#、2#、16#、13#、27#、34#的6 支傳感器溫度隨時間變化曲線。由于1#和2#傳感器在試驗全過程內(nèi)溫度變化非常一致且與控制系統(tǒng)的跟隨性較好，為清楚分析二者差異，特截取溫度容差范圍下限（45 ℃）開始的數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖13 所示。編號為16#、13#、27#、34#的四支傳感器在試驗全過程時間內(nèi)的溫度變化情況如圖14 所示。

從圖13 可以看出，編號1#和2#這兩支位于控制點的測試傳感器溫度值在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的30 min內(nèi)（50～80 min），基本維持在50 ℃左右，最大波動不超過0.5 ℃。說明控溫傳感器的位置處于整體溫度中值，利于整體溫度均勻性分布，并且波動性很小，利于整體溫度穩(wěn)定性，控制傳感器的位置選定非常合理。從圖14 與表1 中可以看出，控溫1 區(qū)溫度和控溫2 區(qū)的溫度與設(shè)定值偏離很小，最大偏離量為1.8 ℃，為容差（±5 ℃）的36%；并且兩控制區(qū)對應(yīng)的最大值與最小值的差值甚至未超出容差帶的30%；另一方面，控制1 區(qū)與控制2 區(qū)的最大值相差幾乎為零，最小值相差僅為0.6 ℃，且從測試點13#、16#、27#、34#在穩(wěn)定階段的平均值和方差值也說明了烘箱內(nèi)部溫度均勻性較好。

圖13 50 ℃控制點傳感器溫度隨時間變化曲線

圖14 50 ℃兩控制區(qū)內(nèi)極值點溫度變化曲線

表1 設(shè)定值50 ℃溫度均勻性測試溫度值

為了驗證本文所述仿真方法的合理性，保持所有試驗條件不變，設(shè)定試驗溫度為85 ℃，對穩(wěn)定狀態(tài)下的40 支溫度傳感器所采集的實時溫度數(shù)據(jù)去除誤差處理后，篩選兩個控溫區(qū)中的溫度最大值和最小值，如表2 所示。控制1 區(qū)和控制2 區(qū)的溫度最值點所對應(yīng)的測試傳感器分別為16#、13#和27#、25#，繪制編號為1#、2#、16#、13#、27#、25#的6 支傳感器溫度隨時間變化曲線，如圖15 和圖16 所示。

圖16 85 ℃兩控制區(qū)內(nèi)極值點溫度變化曲線

表2 設(shè)定值85 ℃溫度均勻性測試溫度值

圖15 85 ℃控制點傳感器溫度隨時間變化曲線

從表2 和圖15 可以看出，編號1#和2#溫度值在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的30 min 內(nèi)，基本在85 ℃，最大波動不超過0.5 ℃，與50 ℃時的實驗情況幾乎一致，體現(xiàn)了不同溫度下的復(fù)現(xiàn)，進(jìn)一步驗證了控制傳感器的位置選定是非常合理的。此外，就整體均勻性而言，在烘箱穩(wěn)定后，13#測試點的溫度曲線與設(shè)定點85 ℃差值最大，最大偏離量為2.8 ℃，為容差（±5 ℃）的56%；烘箱有效加熱區(qū)內(nèi)最大值與最小值的差值為4.3 ℃，占容差帶（±10 ℃）的43%，整體波動較小，具有良好的溫度均勻性。

3 結(jié)束語

1）本文構(gòu)建了適用于航空大型烘箱的溫度場仿真模型，根據(jù)烘箱內(nèi)部的熱分布仿真結(jié)果，對僅依靠工程經(jīng)驗確定控制傳感器位置的傳統(tǒng)方法進(jìn)行了改進(jìn)，為控制傳感器的合理布置提供科學(xué)依據(jù)。

2）本文以一臺航空零件制造用烘箱為實驗對象，在其極限使用溫度范圍處進(jìn)行了溫度均勻性測試，并將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果在空間上的差異性進(jìn)行了比較分析。此外，通過溫度測試數(shù)據(jù)分析，烘箱整體的溫度均勻性分布較好，在不同設(shè)定條件下有良好復(fù)現(xiàn)性，有效工作區(qū)內(nèi)溫度值與設(shè)定值最大偏離量不超過容差的56%，最大值與最小值的最大差值占容差帶的43%，證明了利用溫度場仿真分析手段確定控制傳感器位置，從而提高設(shè)備溫度性能的方法有效。

3）在后續(xù)研究中，可根據(jù)烘箱底部實際材料進(jìn)行邊界條件的精確限制，對仿真模型進(jìn)行優(yōu)化。更進(jìn)一步地，可以考慮將該方法應(yīng)用于裝載情況下的大型烘箱溫度場模擬，為零件在烘箱中的合理布置提供分析手段。