热处理炉温度场的三维数值模拟

文章编号:100221639(2001)0120017203

热处理炉温度场的三维数值模拟

匡　琦,潘健生,叶健松

(上海交通大学高温材料及高温测试开放实验室,上海200030)

摘要:提出了一个描述热处理炉三维非线性温度场的有限元模型,该模型综合考虑了辐射、材料热物性参数和边界条件等复杂因素。根据此模型,使用大型非线性有限元软件M A RC对72k W井式渗碳炉进行模拟计算,计算机模拟结果与实测结果吻合较好。由此提供了一种良好的热处理炉虚拟生产手段,可作为智能热处理CAD的核心技术之一。

关键词:热处理炉;计算机模拟;温度场;有限元;智能热处理

中图分类号:T G151;T P273.5 文献标识码:A

Three-d i m en siona l Nu m er ica l Si m ula tion of Te m pera ture F ield of Hea t Trea t m en t Furnaces

KUAN G Q i,PAN J ian2sheng,YE J ian2song

(H igh T emperatu re M aterials and T esting L ab.,Shanghai J iao tong U n iv.,Shanghai200030,Ch ina)

Abstract:T h is paper p resen ts a fin ite elem en t model fo r describ ing the temperatu re field of heat treatm en t fu rnaces.In the model,such comp licated non linear facto rs as boundary conditi on s,physical p roperties and radiati on etc.are con sidered. Based on the model,the th ree di m en si onal non linear FE M analysis system M A RC is u sed to si m u late the temperatu re field of 72k W p it2type carbu rizing fu rnace,w here an increm en tal iterati on m ethod is also u sed.T he compu ter si m u lati on resu lts are w ell con sisten t w ith tho se of m easu rem en ts.T he w o rk p rovides an excellen t m ethod fo r the virtual operati o in of heat treatm en t fu rnaces.It m ay becom e one of the co re techno logies of in telligen t heat treatm en ts.

Key words:heat treatm en t fu rnace;compu ter si m u lati on;temperatu re field;fin ite elem en t m ethod(FE M);in telligen t heat treatm en t

1　前言

热处理数学模型和计算机模拟技术是开发高度知识密集型热处理智能技术的关键,已日益为各国热处理界所重视。目前,对热处理炉温度场模拟计算往往只限于二维模型,而筑炉材料的热物性参数、边界条件中换热系数及炉内的辐射传热也大都简化处理[1～4],从而导致计算结果与实测数据误差较大。本文针对这一问题,建立了一个描述热处理炉的三维非线性稳态传热数学模型,全面考虑辐射、热物性参数和换热系数非线性变化对温度场的影响,以大型非线性有限元软件M A RC为平台模拟计算72k W 井式渗碳炉的温度场,并进行了实验验证,为热处理

收稿日期:2000210218;修订日期:2000211227

基金项目:国家“95”攻关项目——热处理CAD及其智能技术(962A01202201)

作者简介:匡　琦(19752　),男,湖南双峰人,硕士研究生,从事计算机在材料科学中的应用研究工作;

潘健生(19352　),男,教授,博士生导师,国际热处理

与表面工程联合会数学模型与计算机模拟技术委员

会主任,主要从事热处理过程的计算机数值模拟.炉的改造和优化设计提供了新的方法和途径。

2　热处理炉三维传热计算的数学模型

对于三维非线性稳态传热问题,其传热方程和边界条件的基本数学表达式为

5

x(k x

5T

x)+

5

y(k y

5T

y)+

5

z(k z

5T

z)+q=0(1)式中:T为温度;t为时间;k x,k y,k z为x,y,z方向的材料导热系数;q为内热源项。

边界条件数学表达式

　k x

5T

5x n x+k y

5T

5y n y+k z

5T

5z n z-q+h∑(T-T∞)=0

(2)

式中:h∑为对流和辐射的综合换热系数;q是热流项;n x,n y,n z分别是x,y,z方向的方向余弦。

求解热处理炉温度场分布问题实际就是求解在边界条件(2)下满足稳态热传导方程(1)的场函数T (x,y,z)[5～6]

。

3　非线性问题的处理

热处理炉温度场是一个复杂的非线性问题,其非线性主要来自以下两个方面:(1)筑炉材料的热物