申请/专利权人：中南大学

申请日：2019-07-24

公开（公告）日：2021-04-27

公开（公告）号：CN110362950B

主分类号：G06F30/28(20200101)

分类号：G06F30/28(20200101);G06F111/10(20200101);G06F113/08(20200101);G06F119/08(20200101);G06F119/14(20200101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.27#授权;2019.11.15#实质审查的生效;2019.10.22#公开

摘要：本发明提供了一种热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法，先通过定常计算得到热压罐内流场与压力场，并将流场与压力场视为不变场，再基于得到的流场与压力场结合能量方程进行温度场的非定常计算，其中，在用能量方程对温度场进行非定常计算时，将能量方程中原本作为常数的气体密度用与时间相关的函数代替，所述用于代替常数气体密度的与时间相关的气体密度函数由罐内气体压力及温度随时间变化的曲线结合理想气体状态方程转化得到。通过此函数可将罐内压力随时间变化情况转化为密度随时间的变化，从而可以降低因忽略压力变化而导致的误差，提高温度场模拟的准确性。

主权项：1.一种热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法，其特征在于，包括先通过定常计算得到流场与压力场，并将流场与压力场视为不变场，再基于得到的流场与压力场结合能量方程进行温度场的非定常计算，其中，在用能量方程对温度场进行非定常计算时，将能量方程中原本作为常数的气体密度用气体密度与时间相关的函数代替，所述气体密度与时间相关的函数由罐内气体压力及温度随时间变化的曲线结合理想气体状态方程转化得到；所述热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法具体包括以下步骤：S1使用网格划分软件对模具及热压罐内的流体域进行网格划分，在流体动力学软件中建立热压罐及模具的热流计算模型，设置热流计算模型的边界条件，关闭热流计算模型中的能量方程，对热压罐内气体的流场及压力场进行定常计算，得到热压罐内部放有模具的流场及压力场的分布；S2在利用流体动力学软件的自定义函数工具输入热压罐内气体温度随时间变化函数及气体密度随时间变化函数，所述气体密度随时间变化函数根据罐内气体压力及温度随时间变化的函数结合理想气体状态方程转化得到，开启热流计算模型中的能量方程，并基于步骤S1得到的流场及压力场进行热压罐及其内部模具温度场的非定常计算，得到整个成型过程的模具温度场；S3基于步骤S2得到的模具温度场作为热边界条件进行材料温度场的计算。

全文数据：一种热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法技术领域本发明涉及热压罐内的材料成型仿真技术领域，尤其是一种热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法。背景技术热压罐成型技术是航空航天产品常用的一种成型工艺，通过热压罐对铝合金材料或纤维增强树脂复合材料施加高温高压，可获得高力学性能的结构部件。尤其是像飞机的机翼、机身等作为主要承力结构的部件，一般采用重量轻、强度高且抗疲劳的高性能纤维增强树脂复合材料。参见图1，为现有的热压罐内部结构及气体流动示意图，在热压罐1中，罐内气体介质经电阻加热器11加热后，再在搅拌风机12的驱动下沿着罐壁流至罐门13处，在罐门的整流作用下气流向载物小车2流动，实现热气流对载物小车上的模具3和材料加热。在加热的过程中，罐内气压将在10min内由1个大气压升至6个大气压，并保持此压力约2～3小时，材料成形为目标构件后，温度降至室温，气压回复至1个大气压再将构件取出。在这个过程中，模具及模具上的材料主要以强迫对流的传热方式进行热量传递，实现升温或降温。整个过程温度的控制对于材料的成型质量有着重要的影响，结构部件温度梯度过大会引起材料各部位成型不同步，最终可能导致结构件内部残余应力过大，使得结构件变形量超差或力学性能不达标而报废。因此，如何准确对结构件的温度场的预测及调控是非常重要的。要实现热压罐内温度场预测的关键之一在于，正确模拟罐内气体介质与罐内固体间热交换的行为，在升温阶段有多少的热量由介质气体传递给模具及材料，冷却阶段有多少的热量由模具及材料传递给介质气体。二者间的热量传递的多少主要取决于流体-固体间的对流换热系数，该对流换热系数的准确性对于温度场的预测非常重要。目前，针对在热压罐内加压的强迫对流传热方式的温度场的模拟方法以CFD计算流体动力学模拟为主流。CFD模拟的具体计算内容包括两个部分，一部分是流场的计算包括流速、压力的求解，另一部分为温度场的计算求解。具体方法有瞬态计算非定常方法和稳态定常计算方法，典型计算方案分为以下两种方案：方案一：流场与温度场同时进行非定常计算。具体过程为先建立好模型，设置某段很短时间内的边界条件，进行非定常计算，得出该时间段内流体的速度、压力及以及模具与材料表面的温度场云图。当边界条件发生变化，如压力边界条件发生变化，即罐内气压将在10min内由1个大气压升至6个大气压，该种计算方案只能模拟短时间内气流及温度场的变化，此短时间约为1s以下，长时间内的气流及温度场变化是无法模拟的，即使进行模拟计算，其计算量非常大，成本非常的高。方案二：如李彩林在其于2014年11月发表的名为《复合材料热压罐固化设计的数值模拟》的文章中所述，将流场与温度场分开进行计算，具体分以下两个步骤进行：第一步：对模型流体部分进行定常计算，得出流体的速度、压力等参数；第二步：在第一步的基础上对模型进行非定常计算，得出模具以及材料表面的温度场云图。对于上述方案一，模拟求解过程中需要求解每个时刻的流速、压力、温度，特别在升温阶段，这些物理量都是随时间变化的，且温度及压力会对流体本身材料特性有影响如：将介质视为理想气体，则温度和压力对气体密度都是有影响的，这些对气体特性的影响又会对流体的流速及压力产生影响，这些变量之间相互影响，因此该方案中每个时刻的流速、压力、温度、压力、流体材料特性等物理量高度耦合的。在计算求解过程中要使结果收敛，则必须要缩小时间步长，若时间步长过大则压力、温度等边界条件变化过大，若要获得收敛结果，则每个步长以内的迭代次数急剧增加或者根本获得不了收敛的结果。因此，方案一主要适用于边界条件变化时长比较短的非定常过程模拟。然而热压罐内的成型过程短则3～5小时，长则6～8小时，若采取这种流场与温度场同时计算的方案计算量太大，耗时长，成本高，甚至还有可能导致结果不收敛。目前关于热压罐温度场的模拟很少采用该种方案，即使采用该方法也是只是模拟热压罐某个阶段的非定常过程。考虑到一方面要控制数值计算成本，另一方面又要对模拟热压罐内材料成型过程进行温度场的非定常模拟，目前多采用上述方案二进行计算，但是，目前已有相关业内数据证明换热系数与罐压是有很大关系的，且压力因素对换热系数的影响是最显著的，因此，在模拟热压罐温度场时，罐压对换热系数的影响是不可以忽略的。而方案二在第一步计算好定常场流场、压力场之后，就认为流场及压力场不再发生变化，再在此基础上计算温度场，方案二的不足之处在于，热压罐压力场的边界条件，即罐压，在加压阶段是变化的，方案二是忽略这个时段的压力场边界条件的变化的，忽略压力边界的变化会对换热系数产生影响，增大温度场模拟的误差。因此，为了设计出传热效果更理想，温度场更均匀的热压罐内材料成型用模具，本领域需要提供一种新的热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法。发明内容本发明目的在于提供一种热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法，以解决背景技术中提出的问题。一种热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法，包括先通过定常计算得到流场与压力场，并将流场与压力场视为不变场，再基于得到的流场与压力场结合能量方程进行温度场的非定常计算，其中，在用能量方程对温度场进行非定常计算时，将能量方程中原本作为常数的气体密度用气体密度与时间相关的函数代替，所述用于代替常数气体密度的与时间相关的气体密度函数由罐内气体压力及温度随时间变化的曲线结合理想气体状态方程转化得到。进一步的，所述热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法具体包括以下步骤：S1使用网格划分软件对模具及热压罐内的流体域进行网格划分，在流体动力学软件中建立热压罐及模具的热流计算模型，设置热流计算模型的边界条件，关闭热流计算模型中的能量方程，对热压罐内气体的流场及压力场进行定常计算，得到热压罐内部放有模具的流场及压力场的分布。S2在利用流体动力学软件的自定义函数工具输入热压罐内气体温度随时间变化函数及气体密度随时间变化函数，所述气体密度随时间变化函数根据罐内气体压力及温度随时间变化的函数结合理想气体状态方程转化得到，开启热流计算模型中的能量方程，并基于步骤S1得到的流场及压力场进行热压罐及其内部模具温度场的非定常计算，得到整个成型过程的模具温度场。所述步骤S1中，热流计算模型的边界条件包括入口边界条件与出口边界条件，入口边界条件为速度入口边界条件，出口边界条件为压力出口边界条件。所述步骤S1与步骤S2所使用的流体动力学软件采用fluent软件或其它CFD软件。进一步的，所述热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法还包括步骤S3：基于步骤S2得到的模具温度场作为热边界条件进行材料温度场的计算。优选的，所述步骤S3中的材料为纤维增强树脂复合材料或铝合金。本发明至少具有以下有益效果：本发明提出了一种考虑罐压的热压罐成型强迫对流传热数值模拟方法，先通过定常计算得到热压罐内流场及压力场，并将流场与压力场视为不变场，然后进行温度场非定常计算。且本发明在进行温度场的非定常计算前，先根据理想气体状态方程，将原本设定为常数的介质气体密度修改作为一个随时间变化的函数，该函数由压力与温度随时间变化的函数结合理想气体状态方程转化得到。通过此函数可将罐内压力随时间变化情况转化为密度随时间的变化，从而可以降低因忽略压力变化而导致的误差，提高温度场模拟的准确性。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明优所述的热压罐内部结构及气体流动示意图；图2是本发明优选实施例的热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法所选取的模具立体结构图；图3是本发明优选实施例的热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法在模拟时考虑模具的对称性及降低数值计算量而只保留本发明图2所示的模具的一半而生成的立体结构图；图4是本发明优选实施例的热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法所选取的模具在热压罐内的摆放位置图图4中的模具及热压罐均只保留一半；图5是本发明优选实施例的热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法在ICEM软件中对模具及热压罐内的流体域进行网格划分后，在fluent软件中建立热压罐与模具的CFD热流计算模型；图6是用于与本发明优选实施例的热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法得到的温度场模拟结果与模具温度实测结果进行对比的热电偶位置分布图；图7是基于放置在模具上的3#热电偶的实测结果的本发明优选实施例的热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法得到的模具温度场模拟结果与现有方法得到的模具温度场的对比图；图8基于放置在模具上的10#热电偶的实测结果的本发明优选实施例的热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法得到的模具温度场模拟结果与现有方法得到的模具温度场的对比图。图中：1-热压罐，11-电阻加热器，12-搅拌风机，13-罐门，14-罐尾，2-载物小车，3-模具，31-模具型面，51-热压罐CFD模型，52-模具CFD模型，53-CFD模型中的速度入口，54-CFD模型中的压力出口。具体实施方式以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。参见图1～图8的一种热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法，包括先通过定常计算得到流场与压力场，并将流场与压力场视为不变场，再基于得到的流场与压力场结合能量方程进行温度场的非定常计算，其中，在用能量方程对温度场进行非定常计算时，将能量方程中原本作为常数的气体密度用与时间相关的函数代替，所述用于代替气体密度的与时间相关的函数由罐内气体压力及温度随时间变化的曲线结合理想气体状态方程转化得到。其中，罐内气体压力及温度随时间变化的曲线参见图6由材料的成型工艺所决定，一般由材料供应商提供。本实施例中，所述热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法所模拟的模具结构及其在热压罐中的位置与图2～图4所示的实体模具相同，模具型面31呈瓜瓣状，瓜瓣状模具型面的宽端靠近罐门13，瓜瓣状模具型面的窄端靠近罐尾14，热压罐总体长度L等于4000mm，热压罐高度H等于1655mm，模具型面最高处的高度N等于790mm，模具宽端与罐门之间的距离S等于1400mm，模具窄端与罐尾之间的距离M等于600mm。图2为整体的模具结构图，模具所用的钢材为Q235，将其放入到热压罐内部，具体放置的位置如图4。为了减小温度场仿真的计算规模，考虑模具的对称性，取模具的一半如图3对其进行温度场的分析。本实施例中，所述热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法具体包括以下步骤：S1在ICEM软件中对模具及热压罐内的流体域进行网格划分，在fluent流体动力学软件中建立热压罐及模具的热流计算模型，具体如图5，设置热流计算模型的边界条件，其中入口边界条件为速度入口边界条件，风速设置为2.5ms，出口边界条件为压力出口边界条件，选定分析类型为稳态分析，选用压力基求解器求解计算；关闭热流计算模型中的能量方程，湍流模型选用标准k-ε模型，对热压罐内气体的流场及压力场进行定常计算，得到热压罐内部放有模具的流场及压力场的分布。S2再利用流体动力学软件的自定义函数工具UDFUser-DefinedFuncation输入热压罐内气体温度T随时间变化函数及气体密度随时间变化函数，所述气体密度随时间变化函数根据罐内气体压力及温度随时间变化的函数结合理想气体状态方程转化得到，热压罐的外壁定为绝热壁面，模具与流体之间设置为耦合壁面，开启热流计算模型中的能量方程，并基于步骤S1得到的流场及压力场进行热压罐及其内部模具温度场的非定常计算，得到整个成型过程的模具温度场。S3基于步骤S2得到的模具温度场作为热边界条件进行材料温度场的计算。流场、压力场及温度场的具体计算过程及能量方程的公式等均为现有技术，本发明中不再详细描述。本实施例中，所述步骤S3中的材料为碳纤维增强树脂复合材料或铝合金。本发明之所以能将压力变化转化为密度的变化的原理如下：热压罐加压后由介质气体传递给固体模具的热量增加了，罐内压力的变化实质影响的是流-固界面的换热系数。对于充分发展的湍流有式1与式2所示的关系式：其中，Nu为努塞尔系数，Re为雷诺数，h为流-固界面换热系数，k为流体热导系数。其中，ρ为流体密度，v为流体运动粘度系数，u为流体速度，本实施例中，热压罐内的流体为空气。另外，根据理想气体状态方程，对于理想气体有式3所示的表达式：其中，T为气体温度，P为气体压力。联立式1～3，得式4：由4式可知，流-固界面的换热系数主要与气体密度ρ、气体运动粘度系数v、流速u及气体热导系数k等主要因素有关。罐内介质气体以空气为例，再根据表1不同条件下空气的物性参数可知得出结论：在不同的压力和温度条件下，变化量最为显著的就是空气的密度，具体变化范围由0.706至7.143kgm3变化幅度高达1011％，因此，本发明将压力与温度的变化转换为密度的变化，并将密度的变化代入到温度场非定常计算当中，是适用且合理的。表1空气不同温度压力下的物性参数注：表1中，ρ，k，v的单位分别为：kgm3、Wmm·K、mm2s。上述步骤S1～S3中，基于步骤S1得到的流场和压力场视为不随时间变化了，为了考虑罐压对换热系数的影响，需要通过理想气体状态方程参见式5将热压罐内气体本实施例中为空气的密度设置为压力与温度的函数关系。将空气温度及罐内压力随时间变化曲线转化为空气密度随时间变化曲线，罐内空气温度及压力随时间变化曲线由材料成型工艺所决定，由材料供应商提供，罐内空气温度及压力随时间变化曲线在图7与图8中均有示出，本实施例中，密度与压力及温度的转化原理及过程如式5～式7所示：根据式5的理想气体状态方程有式6所示的表达式：PM＝ρTR式5其中，M为空气的摩尔质量本实施例中M取值为28.959，R为理想气体常数。根据式6有式7所示的表达式：其中，t为时间变量，Pt为压力随时间变化函数，Tt为温度随时间变化函数，Pt与Tt分别可由压力与温度随时间变化曲线得到，ρt为经式7转化得到的密度随时间变化函数，最终也可表示成一条随压力变化而同步变化的密度变化曲线。本实施例中，在进行温度场非定常计算时，用变量ρt代替现有模拟方法中作为常数的ρ，通过fluent软件的自定义函数工具UDF输入，从机理层面上提出了考虑罐压影响的流固界面换热系数数值计算方法，使得温度场模拟的精度得到提高。为了验证本发明的效果，本发明在实体模具上安装了两个热电偶，分别为3#热电偶与10#热电偶，参见图6，3#热电偶位于模具型面靠罐门一侧的中间位置，10#热电偶位于模具型面靠罐尾一侧的边角位置，对热压罐设定并实施与本实施例的数值模拟方法相同的工艺参数，3#热电偶与10#热电偶分别测得的实体模具对应3#热电偶位置处及10#热电偶位置处的温度曲线分别如图7与图8中相应曲线所示，为方便对比分析，本实施例将材料成型工艺所需要的罐内气体压力与温度曲线该曲线由材料供应商提供一并体现在图7与图8中，图7与图8中的罐内气体压力与温度曲线均为铝合金所需的罐内气体压力与温度曲线，根据实际需要，也可以替换成纤维增强复合材料所需的罐内气体压力与温度曲线。另外，本发明还设置了一组与本发明背景技术部分所述方案二相同的现有的数值模拟方法与本实施例作为对比，现有的数值模拟方法除在计算温度场时将密度设定为常数，其他条件及参数与本实施例均相同。由图7及图8可知，本发明的数值模拟方法与现有的数值模拟方法所得到的模具温度场在加压前，差别不大，但开始加压后的升压、保压与降压阶段，本发明的模具温度曲线与现有方法的模具温度曲线出现较大差别，三个阶段里，本发明的模具温度曲线均比现有方法的模具温度曲线更接近热电偶实测得到的温度曲线，因此，本发明的数值模拟方法相对于现有的数值模拟方法在温度场模拟的精度方面有了很大的提高，本发明相对于现有技术具有突出的实质性特点与显著的进步。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法，其特征在于，包括先通过定常计算得到流场与压力场，并将流场与压力场视为不变场，再基于得到的流场与压力场结合能量方程进行温度场的非定常计算，其中，在用能量能量方程对温度场进行非定常计算时，将能量方程中原本作为常数的气体密度用气体密度与时间相关的函数代替，所述用于代替常数气体密度的气体密度与时间相关的函数由罐内气体压力及温度随时间变化的曲线结合理想气体状态方程转化得到。2.根据权利要求1所述的一种热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法，其特征在于，所述热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法具体包括以下步骤：S1使用网格划分软件对模具及热压罐内的流体域进行网格划分，在流体动力学软件中建立热压罐及模具的热流计算模型，设置热流计算模型的边界条件，关闭热流计算模型中的能量方程，对热压罐内气体的流场及压力场进行定常计算，得到热压罐内部放有模具的流场及压力场的分布；S2在利用流体动力学软件的自定义函数工具输入热压罐内气体温度随时间变化函数及气体密度随时间变化函数，所述气体密度随时间变化函数根据罐内气体压力及温度随时间变化的函数结合理想气体状态方程转化得到，开启热流计算模型中的能量方程，并基于步骤S1得到的流场及压力场进行热压罐及其内部模具温度场的非定常计算，得到整个成型过程的模具温度场。3.根据权利要求2所述的一种热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中，热流计算模型的边界条件包括入口边界条件与出口边界条件，优选所述入口边界条件为速度入口边界条件，出口边界条件为压力出口边界条件。4.根据权利要求2所述的一种热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1与步骤S2所使用的流体动力学软件采用fluent软件。5.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法，其特征在于，所述热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法还包括步骤S3：基于步骤S2得到的模具温度场作为热边界条件进行材料温度场的计算。6.根据权利要求5所述的一种热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S3中的材料为纤维增强树脂复合材料或铝合金。

百度查询： 中南大学 一种热压罐内材料成型强迫对流传热数值模拟方法

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