一種基於力學和熱力學的受壓託輪溫度分析方法

2023-06-30 08:09:11

專利名稱：一種基於力學和熱力學的受壓託輪溫度分析方法
技術領域：
本發明屬於非金屬材料學領域，是ー種結合材料試驗力學、有限元力學分析(如ANSYS等)及熱力學分析為一體的分析材料性能，通過獲得託輪在承載轉動發生變形過程中內部溫度場分布函數或曲線和最大溫度值及其所出現的位置，來實現託輪最佳材料和最佳轉速選取的方法。該方法不僅可以實現託輪最佳材料及轉速的選取，亦可以作為其它非金屬材料結構體選取材料及優化生產エ藝等的指導方法。託輪在承載轉動過程中受到反覆擠壓，託輪的塑性變形的部分轉化為內部溫度升高的熱源。當託輪內部的溫度超過材料的熱變形溫度時，將會使材料的力學性能降低，甚至導致託輪的報廢，因此獲得託輪內部的溫度場分布函數或曲線及熱交換平衡時的最大溫度是選取託輪製作材料及其最佳轉速的重要參考指標。
背景技術：
目前對於託輪材料及轉速的選取，多是憑藉材料的力學性能測試和實際工程經驗進行選取的，而對於託輪在實際工作過程中可能出現的熱力學狀態卻無法預測，從而對託輪的使用壽命的延長，無法提出合理的方法。隨著託輪行業的發展及其使用範圍的擴大，如果僅憑材料的力學性能和經驗進行材料和轉速的選取，必將會影響到託輪的使用年限及企業利潤。在信息技術發展的今天，如果能將材料試驗力學、有限元力學分析和熱力學分析結合起來進行託輪工作狀態下熱力學狀態的模擬分析，勢必將會為託輪材料和轉速的選取及生產エ藝的優化提供ー種新的指導方法。

發明內容
本發明主要是以材料試驗力學、有限元力學分析及熱力學分析為基礎，利用有限元知識及相關軟體獲得託輪在受壓變形過程中產生的塑性變形能量。由於託輪在實際工作過程中會受到反覆的擠壓，因此塑性變形能量最終轉化成促使內部溫度升高的熱源。本發明的技術方案參見圖I。該方法主要是由材料試驗力學、有限元力學分析和熱力學分析三大部分構成。材料試驗力學主要是為了獲得有限元分析所需要的材料彈性模量、弾性極限強度及應カ應變曲線等實測值；有限元力學分析主要是用於獲取承載託輪的塑性變形能量和最大變形位移；熱力學分析主要是為了獲得承載託輪內部與外界進行熱量交換時的溫度場分布函數或者曲線及在平衡狀態下的最大溫度值。本發明的特徵還在於步驟如下⑴首先進行材料的力學性能試驗，得到材料的彈性模量、弾性極限強度及應カ應變曲線，作為有限元力學分析的基礎數據，且當材料的真實應カ大於彈性極限強度，判斷材料在受壓過程中產生了塑性變形；⑵通過有限元模擬分析，得到託輪在受壓狀態下的最大位移變形量和塑性變形能量值及託輪外緣面到塑性變形截止面的距離I1 ；⑶結合熱力學分析對傳熱過程進行模型簡化，建立託輪在工作過程中的熱傳導方程，具體如下在輪軸孔處溫度始終為託輪的工作環境溫度T。，在輪緣外表面處熱量自由散發到溫度為T。的大氣環境中，託輪的初始溫度也為T。；建立坐標系原點O點設置在變形區域與未變形區域的交界處，由數學物理方程中對ー維熱傳導半無界問題方程的定義，可以得到託輪總的熱傳導方程為Tt-a2 Δ T=fx (12<χ0) (I)
r|iafj=re(2)[Γχ + σ ]^ =Tca(3)Tlt = 0=TC(4)公式(I)為求解託輪內部坐標變量X在託輪外表面邊界I1和輪軸孔內表面邊界I2之間、時間t大於零的溫度函數T的熱傳導微分方程，Tt為溫度函數T對時間變量t的一次導數，Δ為Laplace算子，fx為託輪內部的熱源，並等於有限元模擬計算出的塑性變形能
量；公式(2)為溫度函數T在託輪軸孔內表面的邊界條件，'/'|r /:為輪軸孔內表面上的溫度
函數值，Tc為託輪的工作環境溫度；公式(3)為溫度函數T在託輪外表面的邊界條件，Tx為
溫度函數T對X坐標的一次導數，[む+汾丄&為在託輪外表面上的一次導數Tx和σ ·Τ之
和的值；公式(4)為溫度函數T在託輪內部的初始條件，T 11 = ^為時間為零時的託輪內部初始溫度函數值；上述公式中的物理量分別為が』 K為導熱係數，P為密度,Cp為比熱容；CF = 2，為熱交換係數。這些物理量為託輪材料的性能參數，通過材料手冊或實驗測試獲
K %
得;I1為外緣面處點的坐標；12為輪軸孔處點的坐標山和I2的值均可以由能量密度圖中的比例得到；根據託輪溫度函數的邊界條件公式(2)和公式(3)以及初始條件公式(4)求解公式(I)，得到託輪內部的溫度T分布當時間變量t趨於無窮大吋，因託輪內部熱源fx與外界熱交換達到平衡狀態，可得到託輪內部的穩態溫度分布函數或者曲線，令溫度函數T對X坐標的一次導數Tx=O或取溫度分布曲線的最大值，即可得到平衡狀態下的最大溫度值Tmax及其對應的坐標值X，從而得到最大溫度值Tmax的坐標點距外緣面的距離S ；⑷進行託輪工作狀態下的熱力學狀態分析、託輪製作材料及轉速的最佳選取，以下步驟沒有順序；①通過求解出的溫度場分布函數或者曲線，可以了解託輪在工作過程中的熱力學狀態，對預測託輪工作狀況提供依據。②最佳材料的選取
a.如果Tmax < HDT，說明託輪在受壓狀態下所產生的最大溫度Tmax小於材料本身的熱變形溫度HDT，那麼託輪在長期的工作過程中是安全的；反之則是不安全的。b.最大溫度點到託輪外緣面的距離S越小，說明託輪內部與外界越容易進行熱量交換，也就越有利於延長託輪的使用年限；反之會影響到託輪的使用壽命。綜上，如果材料的Tmax和S值越小，那麼用這種材料製作的託輪，在工作過程中安全性越高，因此，更有利於延長託輪的使用壽命。③最佳轉速的選取由相應的託輪內部溫度分布分析結果可知，對於同一種材料，不同的轉速下，託輪內部的Tmax值與轉速呈正比例關係，當Tmax越接近HDT時，託輪的轉速也就越接近材料所能承受的最大值，這時的轉速即是託輪在工作過程中的最佳轉速，因為轉速越高，生產效率越聞。本發明根據熱力學分析，得到了託輪內部的溫度場分布函數或曲線及熱交換平衡狀態下的最大溫度值及其位置，實現了託輪在工作過程中熱力學狀態的分析預測。


圖I託輪溫度分析方法的流程2託輪工作示意圖I轉輪，2託輪圖3託輪有限元模型簡化圖P為面載荷,B為託輪寬度，δ為託輪受壓接觸面寬度,Dtl為託輪外直徑,d為託輪
軸孔直徑。圖4託輪設定的坐標系3託輪外緣表面，4塑性變形截止面，5託輪軸孔表面，X溫度深度方向坐標，q為熱載荷，N-M為熱載荷線性分布曲線，I1為坐標系中託輪外表面處坐標值，I2為坐標系中託輪軸孔表面處坐標值圖5託輪的不同轉速下的最大溫度曲線
具體實施例方式本發明實施中採用萬能試驗臺來獲取有限元分析所需要的材料力學性能數據，然後通過有限元結構力學分析軟體(ANSYS)進行模擬計算，求解出託輪在受壓狀態下的塑性變形能量用於確定託輪內部的熱源，和最大變形位移用於確定託輪外表面到塑性變形截止面的距離し。最後利用熱力學分析求解出託輪在工作過程中的溫度場分布函數或曲線、最大溫度值及其距外緣面的距離，通過比較對託輪材料及轉速進行了選取。該分析方法的具體實施步驟如下⑴通過萬能試驗臺獲得了一種聚合物材料的彈性模量E、弾性極限強度σ e及應カ應變曲線，其中E=3600MPa，σ e=90MPa，另外可以根據應カ應變曲線取出三組應カ應變值。
權利要求
1.一種基於力學和熱力學的受壓託輪溫度分析方法，其特徵在於，包括以下步驟 ⑴首先進行材料的力學性能試驗，得到材料的彈性模量、彈性極限強度及應力應變曲線，作為有限元力學分析的基礎數據，且當材料的真實應力大於彈性極限強度，判斷材料在受壓過程中產生了塑性變形； ⑵通過有限元模擬分析，得到託輪在受壓狀態下的最大位移變形量和塑性變形能量值及託輪外緣面到塑性變形截止面的距離11; ⑶結合熱力學分析對傳熱過程進行模型簡化，建立託輪在工作過程中的熱傳導方程，具體如下 在輪軸孔處溫度始終為託輪的工作環境溫度T。，在輪緣外表面處熱量自由散發到溫度為T。的大氣環境中，託輪的初始溫度也為T。；建立坐標系原點O點設置在變形區域與未變形區域的交界處，由數學物理方程中對一維熱傳導半無界問題方程的定義，可以得到託輪總的熱傳導方程為 公式(I)為求解託輪內部坐標變量X在託輪外表面邊界I1和輪軸孔內表面邊界I2之間、時間t大於零的溫度函數T的熱傳導微分方程，Tt為溫度函數T對時間變量t的一次導數，△為Laplace算子，fx為託輪內部的熱源，並等於有限元模擬計算出的塑性變形能量；公式(2)為溫度函數T在託輪軸孔內表面的邊界條件，7jv ^為輪軸孔內表面上的溫度函數值，T。為託輪的工作環境溫度；公式(3)為溫度函數T在託輪外表面的邊界條件，Tx為溫度函數T對X坐標的一次導數，[7> + GT Li為在託輪外表面上的一次導數Tx和O .T之和的值；公式(4)為溫度函數T在託輪內部的初始條件，T 11 = C1為時間為零時的託輪內部初始溫度函數值； 上述公式中的物理量分別為 K為導熱係數，P為密度，Cp為比熱容； ，為熱交換係數；這些物理量為託輪材料的性能參數，通過材料手冊或實驗測試獲 得; I1為外緣面處點的坐標；12為輪軸孔處點的坐標山和I2的值均可以由能量密度圖中的比例得到； 根據託輪溫度函數的邊界條件公式(2)和公式(3)以及初始條件公式(4)求解公式(I)，得到託輪內部的溫度T分布 當時間變量t趨於無窮大時，因託輪內部熱源fx與外界熱交換達到平衡狀態，可得到託輪內部的穩態溫度分布函數或者曲線，令溫度函數T對X坐標的一次導數Tx=O或取溫度分布曲線的最大值，即可得到平衡狀態下的最大溫度值Tmax及其對應的坐標值X，從而得到最大溫度值Tmax的坐標點距外緣面的距離S ； ⑷進行託輪工作狀態下的熱力學狀態分析、託輪製作材料及轉速的最佳選取，以下步驟沒有順序； ①通過溫度場分布函數或者曲線，得到託輪在工作過程中的熱力學狀態； ②最佳材料的選取 a.如果Tmax< HDP，說明託輪內部在受壓狀態下所產生的最大溫度值Tmax小於材料本身的熱變形溫度HDP，那麼託輪在長期的工作過程中是安全的； b.最大溫度點到託輪外緣面的距離S越小，說明託輪內部與外界越容易進行熱量交換，也就越有利於延長託輪的使用年限； ③最佳轉速的選取 對於同一種託輪材料，託輪內部的Tmax值與託輪轉速呈正比例關係，當Tmax越接近熱變形溫度HDP時，託輪的轉速也就越接近託輪材料所能承受的最大值，這時的轉速即是託輪在工作過程中的最佳轉速。
全文摘要
一種基於力學和熱力學的受壓託輪溫度分析方法，屬於非金屬材料領域。該方法以有限元力學分析及熱力學分析為基礎，通過材料試驗力學獲得有限元力學分析所需要的材料彈性模量、彈性極限強度及應力應變曲線等實測值。利用有限元得到託輪在受壓變形過程中產生的塑性變形能量。由於託輪在實際工作過程中會受到反覆的擠壓，因此塑性變形能量最終轉化成促使託輪內部溫度升高的熱源。根據熱力學分析，得到託輪內部的溫度場分布函數或曲線及熱交換平衡狀態下的最大溫度值及位置。利用溫度場分布函數或曲線實現了託輪在工作過程中熱力學狀態的分析預測；根據熱交換平衡狀態下的最大溫度值及其位置的比較結果，將其作為託輪製作材料及轉速選取的依據。
文檔編號G01M13/00GK102706546SQ20121014412
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月10日 優先權日2012年5月10日
發明者任冬雲, 孫永生, 崔秀國 申請人:北京化工大學