锻造温度场边界条件测试装置制造方法及图纸

一种应用热方法测试材料领域的锻造温度场边界条件测试装置，包括：用于固定待测件的固定机构、测试模具、若干热电偶及其温度采集模块和计算控制模块，其中：若干对热电偶埋设于测试模具中，固定机构与测试模具上下相对设置，温度采集模块采集不同时刻各个热电偶的温度值，并将温度值传输至计算控制模块，计算控制模块根据待测件与测试模具的完整接触的时间结合接触表面温度得到样品与测试模具之间的换热系数。本发明专利技术适用于高温固体接触换热系数的测试研究。

【技术实现步骤摘要】
锻造温度场边界条件测试装置
本专利技术涉及的是一种应用热方法测试材料领域的装置，具体是一种锻造温度场边界条件测试装置。
技术介绍
在锻造过程中，温度场需要建立传热学模型，而工件与模具之间接触换热系数的选取对传热学模型的建立尤其重要。它直接影响温度场计算的准确性，而温度场计算的准确性又直接影响组织场、应力场及应变场计算的准确性。所以说工件与模具之间的接触换热系数的确定是一个源头问题，该系数如果选取不准确会导致整个锻造加工过程模拟的失败。因此，研究固体接触换热系数十分有必要。目前针对固体接触换热系数的理论研究还比较少，且此方面的研究主要集中在空间站、卫星、电子器件和低温超导等领域，这些领域的接触温度都比较低，且温度变化范围也比较窄。到目前为止，尚无一套能测试在高温度、高载荷、且存在热变形条件下接触换热系数的设备。经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101871903，公开日2010-10-27，公开了一种确定大型钢锭界面换热系数的方法，其包括以下步骤：1)将钢锭与锭模间的接触界面简化为若干测试分段，在每一分段中确定若干个测试点，并在每一测试点上设置有一个传感器，将每一传感器通过各自的导线共同连接到一数据采集系统，数据采集系统的输出端连接一界面换热系数反算系统；2)在钢水凝固成钢锭的过程中，传感器采集钢水凝固过程中的温度或热流信息，并将采集到的信号传送到数据采集系统中；3)在钢水完全凝固成钢锭后，通过数据采集系统读取各测试点的数据，获得各测试点实测的随时间变化的温度或热流信息，并导入到钢锭与锭模间界面换热系数反算系统中；4)通过界面换热系数反算系统反算求解出钢锭与锭模间的界面换热系数。但该技术不足之处在于，测试得到接触换热系数，特别是固体之间的接触换热系数，比如热锻时，影响测试结果的最大因素是两者之间的压强大小，压强越大，则两者之间的热交换越剧烈，也即是接触换热系数越大。现有技术主要测量的是液态钢锭与锭模之间的换热系数，无法测量两固体接触传热时，一定载荷下，接触换热系数的值。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种锻造温度场边界条件测试装置，适用于高温固体接触换热系数的测试研究，能够在高温、高载荷、且存在热变形条件下完成任意两固体之间的接触换热系数。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括：用于固定样品的固定机构、测试模具、若干热电偶及其温度采集模块和计算控制模块，其中：若干对热电偶埋设于测试模具中，固定机构与测试模具上下相对设置，温度采集模块采集不同时刻各个热电偶的温度值，并将温度值传输至计算控制模块，计算控制模块将样品与测试模具的完整接触的时间段离散分为若干个子过程，认为每个子过程中，测试模具和样品的接触表面温度保持不变，即温差保持不变，而仅于下一个子过程开始时发生突变，从而获得样品与测试模具之间的换热系数。所述的样品与测试模具之间的接触换热系数h由下式获得：其中：T(r,t)为温度场，t0为开始加工时刻，tm为结束加工时刻，ρ为测试模具的密度；c(T)为测试模具的比热容，s(ti)为第i个时间段内接触面的面积，TA(ti)为在第i个时间段内的样品接触表面温度，TB(ti)在第i个时间段内的测试模具接触表面温度，tall为接触过程总时间，N表示若干个子过程。样品接触表面温度通过两个裸端热电偶顶在样品上来直接测试获得以实现迅速响应温度。测试模具表面温度由非线性外推法来外推获得表面温度，外推的方程为f(r)＝Aexp(B*r)+C，其中A，B，C为待定参数，r为距离接触表面的法向距离。所述的温度场具体是：设接触时刻t0与接触时刻tm时，测试模具内部的温度场等温面为半球面，温度仅沿该半球面的半径方向发生变化，T(r,t)通过拟合方程来获得，拟合方程形式为f(r)＝Aexp(B*r)+C，其中A，B，C为待定参数，r为距离接触表面的法向距离。拟合数据来源：通过测试模具与被测件的接触面中心为原点，接触表面和轴向两个方向等距离处温度取平均值。所述的换热系数的修正系数hx＝h(1-η)，其中：Qs为简化假设后所获得温度场能量变化值，Ql为温度场能量变化理论值，分别通过有限元数值模拟获得的，以此来描述温度场简化所导致的误差，即数值模拟中所有离散单元的能量增量之和，所述的固定机构包括：上模座、固定板、上模和保温结构，其中：上模座、固定板和上模依次从上之下设置，保温结构包裹于上模和样品的外部。所述的保温结构包括：外层的保温铝套和内层的硅酸铝纤维毡。所述的测试模具包括：下模及其下模座。所述的下模的材料为H13钢。所述的热电偶为十二支镍铬－镍硅热电偶。技术效果本专利技术能够测试在高温、较高载荷、且存在热变形条件下的任意材料与测试装置模具材料之间的接触换热系数，多次测量更可以获得在不同载荷下的接触换热系数，再以此接触换热系数来提高在数值模拟中的温度场、组织场、应力场的计算精度。附图说明图1为实施例1的结构图。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1如图1所示，本实施例包括：样品5、固定样品5的固定机构、测试模具、若干热电偶7及其温度采集模块10和计算控制模块11，其中：若干对热电偶7埋设于测试模具中，固定机构与测试模具上下相对设置，温度采集模块10采集不同时刻各个热电偶7的温度值，并将温度值传输至计算控制模块11，计算控制模块11将样品5与测试模具的完整接触离散分为若干个子过程，认为每个子过程中，测试模具和样品5的接触表面温度保持不变，即温差保持不变，而仅于下一个子过程开始时发生突变，从而获得样品5的换热系数。所述的样品5的换热系数h由下式获得：其中：T(r,t)为温度场，t0为开始加工时刻，tm为结束加工时刻，ρ为样品模具8的密度，c(T)为样品模具8的比热容，s(ti)为第i个时间段内接触面的面积，TA(ti)为在第i个时间段内的样品5接触表面温度，TB(ti)在第i个时间段内的测试模具8接触表面温度，tall为接触过程总时间，N表示若干个子过程。s(ti)随时间发生变化，但是有两种情况下，视为常数，其一：利用本专利技术的装置时，仅采用较小的压下量，如当应变量在5％以下时，由于摩擦的存在，视试样样品的接触面积不发生变化；其二，测试时，压机先下压一小段距离，然后保压，此时面积不会发生变化。样品5接触表面温度通过两个裸端热电偶顶在样品上来直接测试获得以实现迅速响应温度。这两个热电偶也即是图中的I、J两个热电偶；测试模具表面温度由非线性外推法来外推获得表面温度，外推的方程为f(r)＝Aexp(B*r)+C，其中A，B，C为待定参数，r为距离接触表面的法向距离；外推的数据点选取距离接触表面5mm、12mm、25mm、40mm处温度。所述的换热系数的修正系数hx＝h(1-η)，其中：Qs为简化假设后所获得温度场能量变化值，Ql为温度场能量变化理论值，分别通过有限元数值模拟获得的，以此来描述温度场简化所导致的误差，即数值模拟中所有离散单元的能量增量之和，误差来源有二：其一是测试装置中温度场分布的简化假设，也即是温度场能量的计算误差；其二是接触界面在接触过程温度变化的离散假设，而此误本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锻造温度场边界条件测试装置，其特征在于，包括：用于固定待测件的固定机构、测试模具、若干热电偶及其温度采集模块和计算控制模块，其中：若干对热电偶埋设于测试模具中，固定机构与测试模具上下相对设置，温度采集模块采集不同时刻各个热电偶的温度值，并将温度值传输至计算控制模块，计算控制模块根据待测件与测试模具的完整接触的时间结合接触表面温度得到样品与测试模具之间的换热系数。

【技术特征摘要】
1.一种锻造温度场边界条件测试装置，其特征在于，包括：用于固定样品的固定机构、测试模具、若干热电偶及其温度采集模块和计算控制模块，其中：若干对热电偶埋设于测试模具中，固定机构与测试模具上下相对设置，温度采集模块采集不同时刻各个热电偶的温度值，并将温度值传输至计算控制模块，计算控制模块根据样品与测试模具的完整接触的时间结合接触表面温度得到样品与测试模具之间的换热系数；所述的样品与测试模具之间的接触换热系数h由下式获得：其中：T(r,t)为温度场，t0为开始加工时刻，tm为结束加工时刻，ρ为测试模具的密度；c(T)为测试模具的比热容，s(ti)为第i个时间段内接触面的面积，TA(ti)为在第i个时间段内的样品接触表面温度，TB(ti)在第i个时间段内的测试模具接触表面温度，tall为接触过程总时间，N表示若干个子过程，r为距离接触表面的法向距离。2.根据权利要求1所述的锻造温度场边界条件测试装置，其特征是，所述的样品接触表面温度通过两个裸端热电偶顶在样品上直接测试，从而获得迅速响应温度；测试模具接触表面温度由非线性外推法来外推获得表面温度，外推的方程为f(r)＝Aexp(B*r)+C，其中A，B，C为待定参数，r为距离接触表面的法向距离。3.根据权利要求1或2所述的锻造温度场边界条件测试装置，其特征是，所述的换热系数h的修正系数，hx＝h(1-η)，其中：Qs为简化假...

【专利技术属性】
技术研发人员：张举，崔振山，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31