第十八章熱傳導(dǎo)反問(wèn)題

1、第18章：熱傳導(dǎo)反問(wèn)題本章導(dǎo)讀Deform-3d中的Inverseheattransferwizard模塊的目的是獲得工件熱傳導(dǎo)區(qū)域的熱傳導(dǎo)系數(shù)函數(shù)。具體方法是一個(gè)被熱電偶處理過(guò)的工件進(jìn)行淬火處理或其他熱處理，在熱處理中把熱電偶處理過(guò)的位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間溫度數(shù)據(jù)收集起來(lái)做成數(shù)據(jù)文件?；诔跏疾聹y(cè)的熱傳導(dǎo)系數(shù)，DEFORM-3D將會(huì)運(yùn)行一個(gè)淬火處理或其他熱處理的仿真。最后DEFORM-3D最優(yōu)化程序?qū)?huì)對(duì)比仿真出來(lái)的時(shí)間溫度數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)得到的時(shí)間溫度數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行最優(yōu)化運(yùn)算直到達(dá)到一個(gè)最優(yōu)值。預(yù)備知識(shí)熱傳導(dǎo)反問(wèn)題是反問(wèn)題中的重要一類，即通過(guò)給出物體表面熱流以及對(duì)物體內(nèi)部的一點(diǎn)或多點(diǎn)的溫度觀測(cè)值，反過(guò)來(lái)

2、推倒物體的初始狀態(tài)、流動(dòng)狀態(tài)、邊界條件、內(nèi)部熱源和傳熱系數(shù)等。由于在實(shí)際工程中，材料的熱傳導(dǎo)特性以及邊界條件、內(nèi)部熱源位置等往往是不知道的，他們很難測(cè)量得到甚至根本無(wú)法直接測(cè)量得到，從而以物體表面熱流、部分內(nèi)部點(diǎn)的溫度測(cè)量值等溫度信息為基礎(chǔ)，借助一些反演分析方法進(jìn)行辨識(shí)是解決這類問(wèn)題的有效方法。在反問(wèn)題中，將反演參數(shù)作為優(yōu)化變量，測(cè)點(diǎn)溫度計(jì)算值與測(cè)量值之間的殘差作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)極小化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行仿真。熱傳導(dǎo)反問(wèn)題(inverseheatconductionproblem,IHCP)是基礎(chǔ)傳熱學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，在宇宙航天、原子能技術(shù)、機(jī)械工程以及冶金等與傳熱測(cè)量有關(guān)的工程領(lǐng)域中已獲得了廣泛

3、的應(yīng)用研究。下面我們就熱傳導(dǎo)反問(wèn)題在某些領(lǐng)域的應(yīng)用做一簡(jiǎn)要概述：1 .無(wú)損探傷領(lǐng)域：對(duì)蒸汽管道、鋼包等圓筒體進(jìn)行疲勞分析時(shí)，需要知道內(nèi)壁的溫度等邊界條件，但是內(nèi)壁溫度往往很難直接測(cè)得，而外壁溫度可以直接測(cè)得，為此，人們可以通過(guò)外壁溫度分布信息來(lái)反演內(nèi)壁溫度的分布的情況，進(jìn)而得到內(nèi)壁的幾何形狀，實(shí)現(xiàn)無(wú)損探傷的目的。2 .宇宙航天領(lǐng)域：在引導(dǎo)航天器返回地面過(guò)程中，由于氣動(dòng)加熱作用，航天器表面熱流密度極高，甚至可能會(huì)影響到航天器的安全，但是其準(zhǔn)確值無(wú)法直接測(cè)量，可以通過(guò)測(cè)量航天器內(nèi)壁的某些溫度信息來(lái)推算外壁的熱流。(熱流量是一定面積的物體兩側(cè)存在溫差時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)由導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射方式通過(guò)該物體所傳

4、遞的熱量。)3 .生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：由于人體生理過(guò)程發(fā)生局部破壞時(shí)會(huì)伴有身體組織熱狀態(tài)的某些改變，因此在醫(yī)學(xué)上可以利用人體表面溫度場(chǎng)的變化特征作為病情的依據(jù)，對(duì)人體生理過(guò)程發(fā)生破壞情況進(jìn)行分析。4 .冶金領(lǐng)域：在高爐煉鋼過(guò)程中，由于鋼水的高溫作用，會(huì)不斷復(fù)試煉鋼爐內(nèi)壁，當(dāng)煉鋼爐內(nèi)壁腐蝕到一定程度時(shí)，就需要馬上更換，如果更換不及時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故，但是如果盲目的停產(chǎn)來(lái)檢查，也會(huì)帶來(lái)很大的成本支出，為此，希望通過(guò)測(cè)量外面的溫度來(lái)反推爐壁的厚度，以保證安全生產(chǎn)及最低的成本支出。5 .原子能技術(shù)領(lǐng)域：在核反應(yīng)堆冷卻裝置中，由于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生了大量熱能，需要用循環(huán)水（或其他物質(zhì)）帶走熱量才能避免

5、反應(yīng)堆因過(guò)熱燒毀，導(dǎo)出的熱量可以使水變成水蒸氣，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)點(diǎn)。人么可以通過(guò)測(cè)量循環(huán)水初始溫度變化來(lái)反演核反應(yīng)堆內(nèi)部溫度，以保證核設(shè)施的安全運(yùn)行。通常將熱傳導(dǎo)反問(wèn)題歸為以下幾種類型：1 .反向熱傳導(dǎo)問(wèn)題：初始條件的估算問(wèn)題，通常為已知末端時(shí)刻溫度分布來(lái)求初始時(shí)刻的溫度分布問(wèn)題。2 .反邊值問(wèn)題：即邊界條件的估算問(wèn)題，通常為已知熱導(dǎo)體可以接觸的部分溫度或者熱流，來(lái)求不可接觸部分的溫度和熱流。3 .反系數(shù)問(wèn)題：即熱物性參數(shù)估算問(wèn)題，當(dāng)出現(xiàn)新材料作為導(dǎo)熱介質(zhì)時(shí)，由在邊界上的過(guò)定數(shù)據(jù)來(lái)估算材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等。4 .反邊界問(wèn)題：又稱邊界識(shí)別問(wèn)題，即估算導(dǎo)熱物體的幾何形狀通常用于確定熱導(dǎo)體內(nèi)的未知邊界

6、或裂縫等。5 .反熱源問(wèn)題：或稱為熱源的識(shí)別問(wèn)題，即通過(guò)邊界條件、初始條件等估算熱源位置。18.1 問(wèn)題建立問(wèn)題概述:本問(wèn)題將會(huì)闡述怎樣利用InverseHeatTransferWizard來(lái)得到在熱處理過(guò)程中與介質(zhì)接觸的工件表面熱傳導(dǎo)系數(shù)函數(shù)。為了反向分析，需要輸入測(cè)得的時(shí)間-溫度數(shù)據(jù)。不同待求表面的熱傳導(dǎo)系數(shù)將會(huì)被定義為溫度或時(shí)間的函數(shù)。18.1.1 建立一個(gè)新問(wèn)題雙擊DEFORM-3D圖標(biāo)，進(jìn)入DEFORM-3D主窗口，單擊歸【NewProblem】按鈕，選擇【Inverheattransferwizard】。如圖18-1所示。點(diǎn)擊【Next指定問(wèn)題存儲(chǔ)路徑。點(diǎn)擊【Next】,輸入問(wèn)題名

7、稱INVHEAT1,單擊【Finish完成新問(wèn)題的建立。圖18-1選擇熱傳導(dǎo)反問(wèn)題模塊18.1.2 設(shè)置單位在圖18-2所示界面中選擇English,點(diǎn)擊【Next。圖18-2設(shè)置單位18.1.3 輸入幾何體進(jìn)入Geometry界面后，選擇從文件輸入幾何體【Importfromageometry,.KEYor.DBfile如圖18-3所示，單擊【Next按鈕，導(dǎo)入安裝目錄SFTCDEFORMv10.23DLABS的BARINVHEAT.STL文件。導(dǎo)入的零件如圖18-4所示。圖18-4幾何體18.1.4 生成網(wǎng)格在MeshGeneration界面中，設(shè)置網(wǎng)格數(shù)為2000,其他參數(shù)默認(rèn)，點(diǎn)擊【N

8、ext】按鈕生成網(wǎng)格，如圖18-5所示。爐InverseTransferwizard圖18-5網(wǎng)格參數(shù)18.1.5 定義材料在Material界面中，選擇【Loadformthemateriallibrary，點(diǎn)擊【Next】。如圖18-6所示。圖18-6導(dǎo)入材料在Steel類別里選擇AISI-101570-2000F（20-1100C）點(diǎn)擊【Load】按鈕，如圖18-7所示。圖18-7選擇材料18.1.6 設(shè)定起始溫度在Initialtemperature界面中，Workpiece溫度設(shè)置為均勻（Uniform）1575F,環(huán)境溫度設(shè)置為恒定（Constant）150F,點(diǎn)擊【Next】。如

9、圖18-8所示。圖18-8初始化溫度18.1.7 定義測(cè)溫點(diǎn)按鈕。輸入這三個(gè)在TemperatureMeasurementPoints界面，點(diǎn)擊三次點(diǎn)的坐標(biāo)分別為1.249、4.5、4.5;1.249、0、0.5;1.249、-4.9、2.5,點(diǎn)擊【Apply按鈕,再點(diǎn)擊【Next】按鈕。如圖18-9所示。圖18-7設(shè)定測(cè)點(diǎn)18.1.8 輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在ThermalHistoryData界面，點(diǎn)擊【打開(kāi)】按鈕，在安裝目錄/SFTC/DEFORM/V10.2/3D/LABS中選擇BAR_INVHEAT_Thermal_History,點(diǎn)擊打開(kāi)。Processstarttime輸入0,Proces

10、sendtime輸入506秒。然后點(diǎn)擊【Next】。如圖18-10所示。圖18-8導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件18.1.9 設(shè)置熱傳導(dǎo)區(qū)域在Heattransferzones界面中，點(diǎn)擊生:JI兩次，添加兩個(gè)熱傳導(dǎo)區(qū)域，選中Zone#1,選擇A、B面為第一個(gè)熱傳導(dǎo)區(qū)域.如圖18-11所示。選中Zone#2,選擇C面為第二個(gè)熱傳導(dǎo)區(qū)域。如圖18-12所示。點(diǎn)擊【Next?；貢r(shí)用T回丫K回閨剪切,一卜,“.,*事mv.w用Qg-uh-”心u，圖18-9設(shè)置熱傳導(dǎo)區(qū)域1圖18-10設(shè)置熱傳導(dǎo)區(qū)域218.1.10 熱傳導(dǎo)系數(shù)函數(shù)定義在Heattransfercoefficientfunctiondefinition(

11、I)界面中，選擇熱傳導(dǎo)系數(shù)為溫度的函數(shù)。并以六個(gè)不同溫度下的熱傳導(dǎo)系數(shù)定義該函數(shù)，勾選Initializefunctions,在本例中設(shè)定控制點(diǎn)數(shù)為6,溫度分別為：100,400,700,1000,1300,1600F。其他均為默認(rèn)值。點(diǎn)擊【Next】如圖18-13所示。圖18-11熱傳導(dǎo)系數(shù)函數(shù)初始化1在Heattransfercoefficientdefinition(II)界面中，所有參數(shù)均保持默認(rèn)，如圖18-14所示。單擊【Next。圖18-12熱傳導(dǎo)系數(shù)函數(shù)初始化218.1.11 仿真控制在SimulationControl界面，選才AAuto,其他參數(shù)保持默認(rèn)。如圖18-15所示。

12、點(diǎn)擊【Next按鈕。圖18-13仿真控制18.1.12 最優(yōu)化控制在OptimizationControl界面中，所有設(shè)置保持默認(rèn)，如圖18-16所示。點(diǎn)擊【Next】按鈕。圖18-14最優(yōu)化控制18.1.13 最優(yōu)化運(yùn)算在Optimization界面中，點(diǎn)擊【CheckData】按鈕，檢查所有數(shù)據(jù)是否有效，如果有效則點(diǎn)擊【Start按鈕開(kāi)始運(yùn)算。如圖18-17所示。最優(yōu)化運(yùn)算速度根據(jù)計(jì)算機(jī)的不同而不同，一般為幾個(gè)小時(shí)。最優(yōu)化結(jié)束之后單擊【Next】。如圖18-18所示。圖18-15最優(yōu)化運(yùn)算圖18-16最優(yōu)化結(jié)果18.2 最優(yōu)化結(jié)果在OptimizationResult界面中，可以得到最優(yōu)化熱傳導(dǎo)系數(shù)，并且可以對(duì)比仿真得出的溫度與實(shí)驗(yàn)溫度