第十八章-热传导反问题.doc

第18章:热传导反问题
本章导读
Deform3d中得Inverse heat transfer wizard模块得目得就是获得工件热传导区域得热传导系数函数。具体方法就是一个被热电偶处理过得工件进行淬火处理或其她热处理,在热处理中把热电偶处理过得位置对应得时间温度数据收集起来做成数据文件。基于初始猜测得热传导系数,DEFORM3D将会运行一个淬火处理或其她热处理得仿真。最后DEFORM3D最优化程序将会对比仿真出来得时间温度数据与实验得到得时间温度数据,并且进行最优化运算直到达到一个最优值。
预备知识
热传导反问题就是反问题中得重要一类,即通过给出物体表面热流以及对物体内部得一点或多点得温度观测值,反过来推倒物体得初始状态、流动状态、边界条件、内部热源与传热系数等。由于在实际工程中,材料得热传导特性以及边界条件、内部热源位置等往往就是不知道得,她们很难测量得到甚至根本无法直接测量得到,从而以物体表面热流、部分内部点得温度测量值等温度信息为基础,借助一些反演分析方法进行辨识就是解决这类问题得有效方法。在反问题中,将反演参数作为优化变量,测点温度计算值与测量值之间得残差作为优化目标函数,通过极小化目标函数进行仿真。
热传导反问题(inverseheatconductionproblem, IHCP)就是基础传热学研究得热点之一,在宇宙航天、原子能技术、机械工程以及冶金等与传热测量有关得工程领域中已获得了广泛得应用研究。下面我们就热传导反问题在某些领域得应用做一简要概述:
1、无损探伤领域:对蒸汽管道、钢包等圆筒体进行疲劳分析时,需要知道内壁得温度等边界条件,但就是内壁温度往往很难直接测得,而外壁温度可以直接测得,为此,人们可以通过外壁温度分布信息来反演内壁温度得分布得情况,进而得到内壁得几何形状,实现无损探伤得目得。
2、宇宙航天领域:在引导航天器返回地面过程中,由于气动加热作用,航天器表面热流密度极高,甚至可能会影响到航天器得安全,但就是其准确值无法直接测量,可以通过测量航天器内壁得某些温度信息来推算外壁得热流。(热流量就是一定面积得物体两侧存在温差时,单位时间内由导热、对流、辐射方式通过该物体所传递得热量。)
3、生物医学领域:由于人体生理过程发生局部破坏时会伴有身体组织热状态得某些改变,因此在医学上可以利用人体表面温度场得变化特征作为病情得依据,对人体生理过程发生破坏情况进行分析。
4、冶金领域:在高炉炼钢过程中,由于钢水得高温作用,会不断复试炼钢炉内壁,当炼钢炉内壁腐蚀到一定程度时,就需要马上更换,如果更换不及时,可能会导致严重得安全生产事故,但就是如果盲目得停产来检查,也会带来很大得成本支出,为此,希望通过测量外面得温度来反推炉壁得厚度,以保证安全生产及最低得成本支出。
5、原子能技术领域:在核反应堆冷却装置中,由于链式反应产生了大量热能,需要用循环水(或其她物质)带走热量才能避免反应堆因过热烧毁,导出得热量可以使水变成水蒸气,推动汽轮机发点。人么可以通过测量循环水初始温度变化来反演核反应堆内部温度,以保证核设施得安全运行。
通常将热传导反问题归为以下几种类型:
1、反向热传导问题:初始条件得估算问题,通常为已知末端时刻温度分布来求初始时刻得温度分布问题。
2、反边值问题:即边界条件得估算问题,通常为已知热导体可以接触得部分温度或者热流,来求不可接触部分得温度与热流。
3、反系数问题:即热物性参数估算问题,当出现新材料作为导热介质时,由在边界上得过定数据来估算材料得导热系数、比热等。
4、反边界问题:又称边界识别问题,即估算导热物体得几何形状通常用于确定热导体内得未知边界或裂缝等。
5、反热源问题:或称为热源得识别问题,即通过边界条件、初始条件等估算热源位置。
18、1问题建立
问题概述:
本问题将会阐述怎样利用InverseHeatTransferWizard来得到在热处理过程中与介质接触得工件表面热传导系数函数。为了反向分析,需要输入测得得时间温度数据。不同待求表面得热传导系数将会被定义为温度或时间得函数。
18、1、1 建立一个新问题
双击DEFORM3D图标,进入DEFORM3D主窗口,单击【New Problem】按钮,选择【Inverheattransferwizard】如图181所示。点击【Next>】指定问题存储路径。点击【Next>】,输入问题名称INVHEAT1,单击【Finish】完成新问题得建立。

图181选择热传导反问题模块
18、1、2设置单位
在图182所示界面中选择English,点击【Next>】。

图182设置单位
18、1、3输入几何体
进入Geometry界面后,选择从文件输入几何体【Importfromageometry, 、KEYor 、DBfile】,如图183所示,单击【Next>】按钮,导入安装目录\SFTC\DEFORM\v10、2\3D\LABS得BAR_INVHEAT、STL文件。导入得零件如图184所示。

图183输入几何体

图184几何体
18、1、4生成网格
在Mesh Generation界面中,设置网格数为2000,其她参数默认,点击【Next>】按钮生成网格,如图185所示。

图185网格参数
18、1、5定义材料
在Material界面中,选择【Loadformthemateriallibrary】,点击【Next>】。如图186所示。

图186导入材料
在Steel类别里选择AISI1015[702000F(201100C)]点击【Load】按钮,如图187所示。

图187选择材料
18、1、6设定起始温度
在Initial temperature界面中,Workpiece温度设置为均匀(Uniform)1575 F,环境温度设置为恒定(Constant)150 F,点击【Next>】。如图188所示。

图188初始化温度
18、1、7定义测温点
在TemperatureMeasurementPoints界面,点击三次按钮。输入这三个点得坐标分别为1、249、4、5、4、5;1、249、0、0、5;1、249、4、9、2、5,点击【Apply】按钮,再点击【Next>】按钮。如图189所示。

图187设定测点
18、1、8输入实验数据
在ThermalHistoryData界面,点击【打开】按钮,在安装目录/SFTC/DEFORM/V10、2/3D/LABS中选择BAR_INVHEAT_Thermal_History,点击打开。Process start time输入0,Processendtime输入506秒。然后点击【Next>】。如图1810所示。

图188导入数据文件
18、1、9设置热传导区域
在Heattransferzones界面中,点击两次,添加两个热传导区域,选中Zone #1,选择A、B面为第一个热传导区域、如图1811所示。选中Zone #2,选择C面为第二个热传导区域。如图1812所示。点击【Next>】。

图189设置热传导区域1

图1810设置热传导区域2
18、1、10热传导系数函数定义
在Heattransfercoefficientfunctiondefinition(I)界面中,选择热传导系数为温度得函数。并以六个不同温度下得热传导系数定义该函数,勾选Initializefunctions,在本例中设定控制点数为6,温度分别为:100,400,700,1000,1300,1600F。其她均为默认值。点击【Next>】如图1813所示。

图1811热传导系数函数初始化1
在Heat transfer coefficient definition(II)界面中,所有参数均保持默认,如图1814所示。单击【Next >】。

图1812热传导系数函数初始化2
18、1、11仿真控制
在Simulation Control界面,选择Auto,其她参数保持默认。如图1815所示。点击【Next>】按钮。

图1813仿真控制
18、1、12最优化控制
在Optimization Control界面中,所有设置保持默认,如图1816所示。点击【Next>】按钮。

图1814最优化控制
18、1、13最优化运算
在Optimization界面中,点击【CheckData】按钮,检查所有数据就是否有效,如果有效则点击【Start】按钮开始运算。如图1817所示。最优化运算速度根据计算机得不同而不同,一般为几个小时。最优化结束之后单击【Next>】。如图1818所示。

图1815最优化运算

图1816最优化结果
18、2 最优化结果
在Optimization Result界面中,可以得到最优化热传导系数,并且可以对比仿真得出得温度与实验温度。如图1819、1820所示。

图1819 最优热传导系数

图1817仿真温度与实验温度
优化过程得收敛性极大得取决于所使用数据得性质。例如,当某个测点在工件表面时,表明至少一个传热区域得每一个测点都收敛。类似得,当测量温度数据就是时间得函数时,定义热传导系数就是时间得函数将会获得更快得收敛速度。其她因素也会影响收敛性,温度数据得间隔精确地代表测点数据得梯度信息与良好得初始设定值。