一种高速冲压装备关键部件热态特性的跨尺度仿真方法

摘要

本发明公开了一种高速冲压装备关键部件热态特性的跨尺度仿真方法。该方法首先确定高速冲压装备关键部件在工作过程中的主要热源及其发热量。然后确定影响关键部件温度场分布的热传递途径与热传递方式，计算对流换热系数。获取关键部件固体粗糙表面的分形维数和特征长度，模拟固体粗糙表面，综合考虑弹性、塑性、弹塑性三种不同变形机制，计算其接触热阻，从而得到各类固体接触面的接触传热系数。最后对高速冲压装备关键部件进行热态特性有限元仿真分析。本发明考虑多变形机制，在考虑动摩擦因素情况下，将变形分为三种情况分别计算基体热阻，使得仿真方法对高速冲压装备关键部件热态特性的分析更加全面、精确，更加符合实际情况。

说明书

技术领域

本发明涉及高速冲压技术领域，尤其涉及一种高速冲压装备关键部件热态特性的跨尺度仿真方法。

背景技术

高速冲压装备关键部件热态特性分析主要有试验法和仿真方法。试验法需进行大量实验来完成整机温度场的测量，温度信息采集时，无法整机都布置传感器，而通常是在冲压装备某些部位进行布置，传感器的位置直接影响温度信息的准确釆集，最终影响热分析模型的精度。此外试验法需要的设备较多，成本较昂贵，不具备通用性。仿真方法借助现有的有限元软件对高速冲压装备关键部件进行仿真建模与分析计算，能够高效低成本地获得高速冲压装备关键部件内部温度场的变化规律与瞬态热平衡时间，在工程中得到广泛应用。

要保证高速冲压装备关键部件热态特性仿真分析结果的有效性，其关键在于准确计算热态特性仿真分析时各类热环境参数，构建与实际相符的热态特性仿真分析模型，其中，固体接触面接触传热参数即接触热阻的准确计算是难点。接触热阻作为决定固体接触面间热传递的一个重要参数，对高速冲压装备关键部件的热态特性有着直接而重要的影响，因此，高速冲压装备关键部件的热态特性仿真分析时必须充分考虑固体接触面接触热阻的影响。

高速冲压装备运行过程中，滚动轴承、滑动轴承连接处作为主要热源部分，其接触热阻对温度场的截流作用更为明显，需充分考虑其接触面的微观形貌特征和弹性、塑性、弹塑性三种形变方式，建立与实际相符的固体接触面的接触热阻计算模型，准确计算各接触面的接触传热参数，从而保证高速冲压装备关键部件热态特性仿真分析结果的准确性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高速冲压装备关键部件热态特性的跨尺度仿真方法。首先根据高速冲压装备关键部件的具体运行情况确定该关键部件在工作过程中的主要热源，并计算其发热量。然后根据各部件接触面的具体接触类型确定热传递方式，计算强制对流换热系数和自然对流换热系数。在考虑固体接触面真实微观形貌与多边形机制的情况下，给出各类固体接触面的接触热阻计算公式，从而得到相应的接触传热系数。最后利用Pro/E建立关键部件三维模型，导入ANSYS workbench中，划分网格，设置材料属性和计算得到的热环境参数，对高速冲压装备关键部件的热态特性进行有限元仿真分析。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高速冲压装备关键部件热态特性的跨 尺度仿真方法，该方法包括以下步骤：

1)确定影响高速冲压装备关键部件温度场分布的各主要热源，并计算各主要热源的发热量。

2)确定影响高速冲压装备关键部件温度场分布的热传递途径与热传递方式，计算出对流换热系数。

3)细观尺度下考虑多变形机制的固体接触粗糙表面接触传热系数计算，具体包括以下子步骤：

3.1)利用功率谱法与W-M分形函数获取高速冲压装备关键部件固体接触粗糙表面的分形维数D和特征长度G，利用分形-蒙特卡罗法模拟冲压装备关键部件的固体接触粗糙表面；所述粗糙表面由微凸峰不规则排列构成，所述微凸峰由微凸体经自仿射变换构造新微凸体堆叠，再由新生成微凸体经自仿射变换构造新微凸体堆叠，如此往复，直到新生成的微凸体的微接触直径小于设定值；

3.2)计算关键部件固体接触粗糙表面上构成微凸峰的微凸体的收缩热阻和该微凸峰的不同面积接触点间热阻；

3.3)将关键部件固体接触粗糙表面上构成微凸峰的微凸体，根据其微接触半径的大小，分成弹性变形微凸体、弹塑性变形微凸体和塑性变形微凸体；具体分类方法如下：计算弹性变形的临界微接触半径和塑性变形的临界微接触半径；将两个临界微接触半径作为分段点，若微凸体的微接触半径小于弹性变形的临界微接触半径，则将其归类为弹性变形微凸体；若微凸体的微接触半径大于塑性变形的临界微接触半径，则将其归类为塑性变形微凸体；其余归为弹塑性变形微凸体；

3.4)针对发生不同形变的微凸体，分别计算其基体热阻；

3.5)将固体接触粗糙表面上构成微凸峰的微凸体的基体热阻、收缩热阻和该微凸峰的不同面积接触点间热阻串联，得到高速冲压装备关键部件固体接触粗糙表面上各微凸峰的接触热阻；

3.6)将固体接触粗糙表面上所有的微凸峰的接触热阻并联，计算得到关键部件固体接触粗糙表面的接触热阻。

3.7)将关键部件固体接触粗糙表面的接触热阻计算结果取倒数，得到固体接触粗糙表面的接触传热系数。

4)宏观尺度下高速冲压装备关键部件热态特性仿真分析：利用Pro/E构建关键部件的三维模型，导入ANSYS workbench，并划分网格，设置部件中各零件的材料属性。根据步骤1)、2)、3)的计算结果，设置关键部件热态特性仿真所需的发热量、对流换热系数和接触传热系 数，在宏观尺度下对高速冲压装备关键部件进行热态特性仿真分析。

进一步地，基于多变形机制的弹性形变的临界微接触半径R₁和塑性变形的临界微接触半径R₂的计算公式如下：

$R_1=\frac{{\mathrm{K\sigma }}_y{l}^D}{2{\mathrm{\pi EG}}^{(D-1)}}$

$R_2=\frac{{\left(110\right)}^{\frac{1}{2(D-1)}}{\mathrm{K\sigma }}_y{l}^D}{2{\mathrm{\pi EG}}^{(D-1)}}$

式中：σ_y为材料屈服强度；K是两接触材料各自硬度与屈服强度的比值的较小值；l为微凸体变形前截面横向宽度；E为有效弹性模量；G为特征长度；D为分形维数。

本发明的有益效果是：在考虑动摩擦因素的情况下，综合考虑了微凸体的弹性、弹塑性、完全塑性三种变形情况下基体热阻应有不同的计算方式。同时，接触面上的热阻网络模型综合考虑了基体热阻、收缩热阻以及不同面积接触点之间的热阻，使计算模型更全面，使得所提出仿真方法对高速冲压装备关键部件热态特性的分析更加全面、精确，更加符合实际情况。

附图说明

图1为高速冲压装备关键部件热态特性的跨尺度仿真流程图；

图2为高速冲压装备施力机构1/2简化对称结构图；

图3为用分形-蒙特卡罗法产生粗糙表面的流程图；

图4为跨尺度仿真方法所得的高速冲压装备施力机构的温度场变化趋势图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

高速冲压装备关键部件热态特性的跨尺度仿真流程如图1所示。以高速冲压装备施力机构热态特性仿真分析为例，说明高速冲压装备关键部件热态特性跨尺度仿真的主要步骤。高速冲压装备施力机构主要由主轴、连杆、上横梁、滑块、轴承等构成。图2是本发明相应的高速冲压装备施力机构1/2简化对称结构图。仿真方法具体如下：

1)高速冲压装备施力机构热源分析与发热量计算；

根据高速冲压装备的具体运行情况确定影响高速冲压装备施力机构温度场分布的主要热源来自滑动轴承发热量和滚动轴承发热量。

上横梁与主轴的轴瓦、连杆与主轴的轴瓦实际均是滑动轴承，与滚动轴承相似，滑动轴承工作时，轴承的热量由摩擦功转变而来。轴承每秒产生的热量可利用轴承的摩擦因数，轴承所受载荷和轴承圆周线速度计算求得。

滚动轴承发热由外加载荷摩擦力矩引起的滚动体与滚道的摩擦生热，由润滑剂粘度力矩引起的克服滚动体粘性阻力而产生的粘性摩擦生热和由滚动体在与内外圈滚道接触区上发生自旋产生的自旋摩擦生热所构成，可分别计算各摩擦热从而得到滚动轴承的发热量。

高速冲压装备施力机构各热源发热量计算结果如表1所示，W为单位——瓦特。

表1

2)高速冲压装备施力机构热传递分析与对流换热系数计算；

2.1)高速冲压装备施力机构热传递分析

确定影响高速冲压装备施力机构温度场分布的热传递途径与热传递方式，计算出对流换热系数。

热量的传递是由温差引起的，在温差作用下，热量自发地从高温物体传向低温物体，实现热量的传递。高速冲压装备施力机构主要热源的热传递方式如表2所示。

表2

2.2)高速冲压装备施力机构对流换热系数计算

高速冲压装备施力机构对流换热主要包括：主轴上轴承接触部分模拟润滑油的强制热对流、主轴与空气的强制热对流、高速冲压装备外壳与空气的自然热对流。热对流遵循牛顿冷却公式，其大小由对流换热系数表示。由雷诺数判定冷却液流动状态，并依据努塞尔数可计算出主轴不同部件的对流换热系数。

强制流换热系数可以通过部件周围流体的导热系数、努塞尔数、轴承所在轴颈的直径或者主轴当量直径进行求解。

自然流换热系数可以通过格拉晓夫数和普朗特数进行求解。

高速冲压装备施力机构对流换热系数计算结果如表3所示，W、m和K为单位——瓦特、米和开尔文。

表3

热对流(W/(m²·K))模拟润滑油强制热对流204.9主轴旋转强制热对流85.2压力机外壳自然热对流5

3)细观尺度下考虑多变形机制的固体接触粗糙表面接触传热系数计算，具体包括以下子步骤：

3.1)利用功率谱法与W-M分形函数获取高速冲压装备关键部件固体接触粗糙表面的分形维数D和特征长度G，利用分形-蒙特卡罗法模拟冲压装备关键部件的固体接触粗糙表面；所述粗糙表面由微凸峰不规则排列构成，所述微凸峰由微凸体经自仿射变换构造新微凸体堆叠，再由新生成微凸体经自仿射变换构造新微凸体堆叠，如此往复，直到新生成的微凸体的微接触直径小于设定值；

3.2)计算关键部件固体接触粗糙表面上构成微凸峰的微凸体的收缩热阻和该微凸峰的不同面积接触点间热阻；

3.3)将关键部件固体接触粗糙表面上构成微凸峰的微凸体，根据其微接触半径的大小，分成弹性变形微凸体、弹塑性变形微凸体和塑性变形微凸体；具体分类方法如下：计算弹性变形的临界微接触半径R₁和塑性变形的临界微接触半径R₂，计算公式如下：

$R_1=\frac{{\mathrm{K\sigma }}_y{l}^D}{2{\mathrm{\pi EG}}^{(D-1)}}$

$R_2=\frac{{\left(110\right)}^{\frac{1}{2(D-1)}}{\mathrm{K\sigma }}_y{l}^D}{2{\mathrm{\pi EG}}^{(D-1)}}$

式中：σ_y为材料屈服强度；K是两接触材料各自硬度与屈服强度的比值的较小值；l为微凸体变形前截面横向宽度；E为有效弹性模量；G为特征长度；D为分形维数。

将两个临界微接触半径作为分段点，若微凸体的微接触半径小于弹性变形的临界微接触半径，则将其归类为弹性变形微凸体；若微凸体的微接触半径大于塑性变形的临界微接触半径，则将其归类为塑性变形微凸体；其余归为弹塑性变形微凸体；

3.4)针对发生不同形变的微凸体，分别计算其基体热阻；

3.5)将固体接触粗糙表面上构成微凸峰的微凸体的基体热阻、收缩热阻和该微凸峰的不同面积接触点间热阻串联，得到高速冲压装备关键部件固体接触粗糙表面上各微凸峰的接触热阻；

3.6)将固体接触粗糙表面上所有的微凸峰的接触热阻并联，计算得到关键部件固体接触粗糙表面的接触热阻。

3.7)将关键部件固体接触粗糙表面的接触热阻计算结果取倒数，得到固体接触粗糙表面的接触传热系数，计算结果如表4所示，W、m和K为单位——瓦特、米和开尔文。

表4

4)宏观尺度下高速冲压装备施力机构热态特性仿真分析：利用Pro/E构建高速冲压装备施力机构的三维模型，将其导入ANSYS workbench中，根据需要确定网格大小和划分方式。网格划分后，设置材料属性，并根据步骤2)和3)计算结果，设置该热态特性仿真模型各热源的发热量、对流换热系数和接触传热系数，对高速冲压装备施力机构热态特性进行仿真分析，仿真结果如图4所示。