基于DEFORM反传热模型表面换热系数的确定

　　引言

　　淬火过程[1]是淬火介质流场、温度场与工件温度场、相变和应力/应变场相互耦合的复杂过程，数值模拟方法为淬火过程中相互作用的各场变量的计算分析提供了强有力的工具。在淬火过程模拟中，表面换热系数作为淬火过程温度场边界条件的重要参数，其准确性直接影响着温度场的计算精度，进而影响着相变和应力/应变场模拟结果的可靠性。测算淬火表面换热系数时，若采用直接测量热探头表面温度，一方面由于淬火温度变化较大，测量精度易受限，需较高的采样频率;另一方面对于液体淬火介质，热电偶易受淬火介质的影响。因此，目前测定表面换热系数的主要方法是反传热法[2]，将测温点引入工件内部。

　　采用反传热法求解表面换热系数时，往往需要采用Fortran[3]、Visual　C++[4]等计算机语言编写计算程序，其计算结果也要输入有限元软件进行模拟分析。DEFORM-3D作为体积成形专业有限元软件，不仅能对工件淬火过程进行热力耦合的模拟计算[5]，而且其自带的Inverse　Heat　Transfer反传热模型能直接求解工件与淬火介质间的表面换热系数。

　　采用DEFORM反传热模型求解表面换热系数时，涉及到温度控制点、表面换热系数初始值等参数的选取和确定。这些参数的选取是否合理将对表面换热系数计算值和所预测的温度场有很大影响。而目前在此方面的研究鲜见报道，文献[6-7]采用了DE-FORM反传热模型求解表面换热系数，但对如何选取和确定控制参数未做说明。因此，本文以7075铝合金厚板淬火过程为对象，基于DEFORM反传热模型，分析控制参数对表面换热系数计算和温度预测精度的影响，在此基础上研究确定7075铝合金淬火过程表面换热系数，为淬火过程换热系数研究以及温度场的预测提供指导。

　　1　DEFORM反传热模型基本原理

　　反传热法是根据已知的或利用实验手段测得物体内部某点上的温度及其随时间的变化，通过求解导热微分方程，获得物体表面综合换热系数[8]。对于非稳态导热问题，其无内热源时的Fourier导热微分方程为[9]：

　　式中λ—材料的导热系数/N/ (s·℃)

　　ρ—材料密度/kg/mm³

　　cp—材料定压比热/N/ (mm²·℃)

　　淬火过程模拟计算中，对流换热边界条件为：

　　式中H———表面换热系数/N/ (mm·s·℃)

　　Tw———工件表面温度/℃

　　Tc———淬火介质温度/℃

　　DEFORM反传热模型首先假定表面换热系数初值，通过导热微分方程推算内部温度值，然后根据推算值与实验测定值的差值不断修正设定值，最终使推算值逼近测定值，图1为DEFORM反传热模型计算流程图。对于计算所得表面换热系数的精度，可通过应用其所获得的温度预测值与实测值的对比判定。