一种基于力学和热力学的受压托轮温度分析方法技术

一种基于力学和热力学的受压托轮温度分析方法，属于非金属材料领域。该方法以有限元力学分析及热力学分析为基础，通过材料试验力学获得有限元力学分析所需要的材料弹性模量、弹性极限强度及应力应变曲线等实测值。利用有限元得到托轮在受压变形过程中产生的塑性变形能量。由于托轮在实际工作过程中会受到反复的挤压，因此塑性变形能量最终转化成促使托轮内部温度升高的热源。根据热力学分析，得到托轮内部的温度场分布函数或曲线及热交换平衡状态下的最大温度值及位置。利用温度场分布函数或曲线实现了托轮在工作过程中热力学状态的分析预测；根据热交换平衡状态下的最大温度值及其位置的比较结果，将其作为托轮制作材料及转速选取的依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于非金属材料学领域，是ー种结合材料试验力学、有限元力学分析(如ANSYS等)及热力学分析为一体的分析材料性能，通过获得托轮在承载转动发生变形过程中内部温度场分布函数或曲线和最大温度值及其所出现的位置，来实现托轮最佳材料和最佳转速选取的方法。该方法不仅可以实现托轮最佳材料及转速的选取，亦可以作为其它非金属材料结构体选取材料及优化生产エ艺等的指导方法。托轮在承载转动过程中受到反复挤压，托轮的塑性变形的部分转化为内部温度升高的热源。当托轮内部的温度超过材料的热变形温度时，将会使材料的力学性能降低，甚至导致托轮的报废，因此获得托轮内部的温度场分布函数或曲线及热交換平衡时的最大温度是选取托轮制作材料及其最佳转速的重要參考指标。
技术介绍
目前对于托轮材料及转速的选取，多是凭借材料的力学性能测试和实际工程经验进行选取的，而对于托轮在实际工作过程中可能出现的热力学状态却无法预测，从而对托轮的使用寿命的延长，无法提出合理的方法。随着托轮行业的发展及其使用范围的扩大，如果仅凭材料的力学性能和经验进行材料和转速的选取，必将会影响到托轮的使用年限及企业利润。在信息技术发展的今天，如果能将材料试验力学、有限元力学分析和热力学分析结合起来进行托轮工作状态下热力学状态的模拟分析，势必将会为托轮材料和转速的选取及生产エ艺的优化提供ー种新的指导方法。
技术实现思路
本专利技术主要是以材料试验力学、有限元力学分析及热力学分析为基础，利用有限元知识及相关软件获得托轮在受压变形过程中产生的塑性变形能量。由于托轮在实际工作过程中会受到反复的挤压，因此塑性变形能量最终转化成促使内部温度升高的热源。本专利技术的技术方案參见图I。该方法主要是由材料试验力学、有限元力学分析和热力学分析三大部分构成。材料试验力学主要是为了获得有限元分析所需要的材料弹性模量、弾性极限强度及应カ应变曲线等实测值；有限元力学分析主要是用于获取承载托轮的塑性变形能量和最大变形位移；热力学分析主要是为了获得承载托轮内部与外界进行热量交换时的温度场分布函数或者曲线及在平衡状态下的最大温度值。本专利技术的特征还在于步骤如下⑴首先进行材料的力学性能试验，得到材料的弹性模量、弾性极限强度及应カ应变曲线，作为有限元力学分析的基础数据，且当材料的真实应カ大于弹性极限强度，判断材料在受压过程中产生了塑性变形；⑵通过有限元模拟分析，得到托轮在受压状态下的最大位移变形量和塑性变形能量值及托轮外缘面到塑性变形截止面的距离I1 ；⑶结合热力学分析对传热过程进行模型简化，建立托轮在工作过程中的热传导方程，具体如下在轮轴孔处温度始終为托轮的工作环境温度T。，在轮缘外表面处热量自由散发到温度为T。的大气环境中，托轮的初始温度也为T。；建立坐标系原点O点设置在变形区域与未变形区域的交界处，由数学物理方程中对ー维热传导半无界问题方程的定义，可以得到托轮总的热传导方程为Tt-a2 Δ T=fx (12<χ<11, t>0) (I) r|iafj=re(2)[Γχ + σ ]^ =Tca(3)Tlt = 0=TC(4)公式(I)为求解托轮内部坐标变量X在托轮外表面边界I1和轮轴孔内表面边界I2之间、时间t大于零的温度函数T的热传导微分方程，Tt为温度函数T对时间变量t的一次导数，Δ为Laplace算子，fx为托轮内部的热源，并等于有限元模拟计算出的塑性变形能量；公式(2)为温度函数T在托轮轴孔内表面的边界条件，'/'|r /:为轮轴孔内表面上的温度函数值，Tc为托轮的工作环境温度；公式(3)为温度函数T在托轮外表面的边界条件，Tx为温度函数T对X坐标的一次导数，[む+汾丄&为在托轮外表面上的一次导数Tx和σ ·Τ之和的值；公式(4)为温度函数T在托轮内部的初始条件，T 11 = ^为时间为零时的托轮内部初始温度函数值；上述公式中的物理量分别为が’ K为导热系数，P为密度,Cp为比热容；CF = 2，为热交換系数。这些物理量为托轮材料的性能參数，通过材料手册或实验测试获 K %得;I1为外缘面处点的坐标；12为轮轴孔处点的坐标山和I2的值均可以由能量密度图中的比例得到；根据托轮温度函数的边界条件公式(2)和公式(3)以及初始条件公式(4)求解公式(I)，得到托轮内部的温度T分布当时间变量t趋于无穷大吋，因托轮内部热源fx与外界热交换达到平衡状态，可得到托轮内部的稳态温度分布函数或者曲线，令温度函数T对X坐标的一次导数Tx=O或取温度分布曲线的最大值，即可得到平衡状态下的最大温度值Tmax及其对应的坐标值X，从而得到最大温度值Tmax的坐标点距外缘面的距离S ；⑷进行托轮工作状态下的热力学状态分析、托轮制作材料及转速的最佳选取，以下步骤没有顺序；①通过求解出的温度场分布函数或者曲线，可以了解托轮在工作过程中的热力学状态，对预测托轮工作状况提供依据。②最佳材料的选取a.如果Tmax < HDT，说明托轮在受压状态下所产生的最大温度Tmax小于材料本身的热变形温度HDT，那么托轮在长期的工作过程中是安全的；反之则是不安全的。b.最大温度点到托轮外缘面的距离S越小，说明托轮内部与外界越容易进行热量交換，也就越有利于延长托轮的使用年限；反之会影响到托轮的使用寿命。综上，如果材料的Tmax和S值越小，那么用这种材料制作的托轮，在工作过程中安全性越高，因此，更有利于延长托轮的使用寿命。③最佳转速的选取由相应的托轮内部温度分布分析结果可知，对于同一种材料，不同的转速下，托轮内部的Tmax值与转速呈正比例关系，当Tmax越接近HDT时，托轮的转速也就越接近材料所能承受的最大值，这时的转速即是托轮在工作过程中的最佳转速，因为转速越高，生产效率越闻。本专利技术根据热力学分析，得到了托轮内部的温度场分布函数或曲线及热交換平衡状态下的最大温度值及其位置，实现了托轮在工作过程中热力学状态的分析预测。 附图说明图I托轮温度分析方法的流程2托轮工作示意图I转轮，2托轮图3托轮有限元模型简化图P为面载荷,B为托轮宽度，δ为托轮受压接触面宽度,Dtl为托轮外直径,d为托轮轴孔直径。图4托轮设定的坐标系3托轮外缘表面，4塑性变形截止面，5托轮轴孔表面，X温度深度方向坐标，q为热载荷，N-M为热载荷线性分布曲线，I1为坐标系中托轮外表面处坐标值，I2为坐标系中托轮轴孔表面处坐标值图5托轮的不同转速下的最大温度曲线具体实施例方式本专利技术实施中采用万能试验台来获取有限元分析所需要的材料力学性能数据，然后通过有限元结构力学分析软件(ANSYS)进行模拟计算，求解出托轮在受压状态下的塑性变形能量用于确定托轮内部的热源，和最大变形位移用于确定托轮外表面到塑性变形截止面的距离し。最后利用热力学分析求解出托轮在工作过程中的温度场分布函数或曲线、最大温度值及其距外缘面的距离，通过比较对托轮材料及转速进行了选取。该分析方法的具体实施步骤如下⑴通过万能试验台获得了一种聚合物材料的弹性模量E、弾性极限强度σ e及应カ应变曲线，其中E=3600MPa，σ e=90MPa，另外可以根据应カ应变曲线取出三组应カ应变值。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于力学和热力学的受压托轮温度分析方法，其特征在于，包括以下步骤 ⑴首先进行材料的力学性能试验，得到材料的弹性模量、弹性极限强度及应力应变曲线，作为有限元力学分析的基础数据，且当材料的真实应力大于弹性极限强度，判断材料在受压过程中产生了塑性变形； ⑵通过有限元模拟分析，得到托轮在受压状态下的最大位移变形量和塑性变形能量值及托轮外缘面到塑性变形截止面的距离11; ⑶结合热力学分析对传热过程进行模型简化，建立托轮在工作过程中的热传导方程，具体如下 在轮轴孔处温度始终为托轮的工作环境温度T。，在轮缘外表面处热量自由散发到温度为T。的大气环境中，托轮的初始温度也为T。；建立坐标系原点O点设置在变形区域与未变形区域的交界处，由数学物理方程中对一维热传导半无界问题方程的定义，可以得到托轮总的热传导方程为 公式(I)为求解托轮内部坐标变量X在托轮外表面边界I1和轮轴孔内表面边界I2之间、时间t大于零的温度函数T的热传导微分方程，Tt为温度函数T对时间变量t的一次导数，△为Laplace算子，fx为托轮内部的热源，并等于有限元模拟计算出的塑性变形能量；公式(2)为温度函数T在托轮轴孔内表面的边界条件，7jv ^为轮轴孔内表面上的温度函数值，T。为托轮的工作环境温度；公式(3)为温度函数T在托轮外表面的边界条件，Tx为温度函数T对X坐标的一次导数，[7> + GT Li为在托轮外表面上的一次导数Tx和O .T之和的值；公式(4)为温度函数T在托轮内部的初始条件，T 11 = C1为时间为零时的托轮内部...

【专利技术属性】
技术研发人员：任冬云，孙永生，崔秀国，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：