一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法

1.本发明涉及船舶与海洋结构物曲板成形领域，尤其涉及一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法。


背景技术：

2.线加热成形技术，俗称火工成形工艺，是目前世界上各大船厂普通采用的加工船体复杂曲面外板的方法，即利用加热源(如氧-丙烯火焰等)对船舶外板沿着线状加热线进行加热，在加热过程中船体外板由于温度上升导致金属膨胀，同时利用冷却水进行跟踪冷却，此时外板被加热部分受冷后迅速收缩，最终外板在加热线附近产生残余热应力和应变，导致船舶曲板发生弯曲变形，从而达到成形要求。
3.近年来为提高船舶性能的水平，我国对舰船领域的投资日益增加。船舶的服役环境恶劣，用于建造船舶的材料性能好坏将直接影响船舶的整体性能。钛及其合金以其自身具备的优良特性，在船舶制造领域的应用逐渐广泛。钛合金具有密度小，强度大，耐腐蚀和无磁性等特点。用钛合金制造的船舶零件使用寿命长，适用于深海探测、极地船舶等。常温下钛合金变形系数小，在600℃以上的高温条件下，钛合金的延展性增加，变形系数增大，但一次加热不容易成形，需在同一加热线位置进行三次加热。采用传统适用于一条加热线上单次加热的数值计算，无法获取多次加热后的钛合金板的形态，在现场进行加工时，仍会发生由于板材的加热变形不满足设计需求，而增加了加工的周期和成本。


技术实现要素：

4.本发明提供一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法，以克服上述技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
6.一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法，包括以下步骤：
7.s1：获取钛合金板材的几何参数、钛合金板材的材料参数，以建立钛合金板材的有限元模型；
8.所述钛合金板材的几何参数包括：板长l、板宽b、板厚d和钛合金板材沿板宽方向的曲率半径r，
9.所述钛合金板材的材料参数包括密度ρ、泊松比μ、热导系数λ、线膨胀系数α、比热容c；
10.s2：根据板宽设置加热线的长h，并确定加热线在钛合金板材上的位置；以根据加热线的位置，对钛合金板材的有限元模型进行网格划分，设定钛合金板材的约束条件；
11.s3：分别在所述钛合金板材的有限元模型上设置对钛合金板材进行重叠加热时的对流换热系数、水冷换热系数和热传导边界条件；
12.s4：设定对钛合金板材进行重叠加热的加热速度v，并在所述钛合金板材的有限元模型上设置在进行1次线加热成形过程中，热源和冷却水的移动轨迹；
13.s5：设置热源的热效率和热有效半径和重叠加热次数n；以根据对流换热系数、水冷换热系数，热传导边界条件和钛合金板材的约束条件，根据所述热源和冷却水的移动轨迹，对钛合金板材进行重叠加热的数值有限元模拟，获取数值模拟的钛合金板材的温度随时间变化的结果；以获取钛合金板材的局部收缩量和挠度；
14.s6：根据钛合金板材的局部收缩量和挠度、钛合金板材的几何参数、钛合金板材的材料参数、约束条件及所述热源和冷却水的移动轨迹下的钛合金板材的实际的局部收缩量和实际的挠度，获取最终的热源的热有效半径和热效率；
15.s7：根据所述最终的热源的热有效半径和热效率，待进行重叠加热的钛合金板材的几何参数和材料参数及钛合金板材的设计的局部收缩量和挠度，获取线加热成形的现场加工参数以及现场的热源和冷却水的移动轨迹，以根据所述线加热成形的现场加工参数，以及现场的热源和冷却水的移动轨迹，以对待进行重叠加热的钛合金板材进行加工。
16.有益效果：本发明提供了一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法，通过设置钛合金板材的有限元模型的参数，使其与实际加工厂的环境条件相同，通过数值模拟，获得钛合金板材水火弯板重叠加热后产生的温度场和变形场，确定最终的与加工厂实际热源相同的最终的热源的热有效半径和热效率，并根据最终的热源的热有效半径和热效率，和待进行重叠加热的钛合金板材的几何参数和材料参数，及重叠加热后的设计挠度，获取线加热成形的现场加工参数，以及现场的热源和冷却水的移动轨迹，以根据所述线加热成形的现场加工参数，以及现场的热源和冷却水的移动轨迹，对待进行重叠加热的钛合金板材进行加工。能够获取多次加热后的钛合金板的形态，用于指导现场加工，极大的降低了加工的周期和成本。
附图说明
17.以下结合附图和具体实施方法对本发明展开进一步说明。
18.图1为本发明的钛合金重叠加热的数值计算方法的流程图；
19.图2为本发明的实施例中的利用apdl语言在ansys中建立的有限元模型图；
20.图3为本发明的实施例中的局部收缩量的测量点位置示例图；
21.图4为本发明的实施例中的热流密度的高斯分布模型图；
22.图5a为本发明的实施例中的ta5钛合金的热传导系数随温度变化示意图；
23.图5b为本发明的实施例中的ta5钛合金的比热容随温度变化示意图；
24.图5c为本发明的实施例中的ta5钛合金的泊松比随温度变化示意图；
25.图5d为本发明的实施例中的ta5钛合金的线膨胀系数随温度变化示意图；
26.图5e为本发明的实施例中的ta5钛合金的弹性模量随温度变化示意图；
27.图5f为本发明的实施例中的ta5钛合金的屈服强度随温度变化示意图；
28.图6为本发明的实施例中加热线终点位置的局部收缩量和温度随时间变化规律示意图；
29.图7为本发明的实施例中加热线终点位置挠度和温度随时间变化规律图；
30.图8为本发明的实施例中不同板厚和加热速度对钛合金板面最高温度的影响示意图；
31.图9为本发明的实施例中不同板厚和加热速度对局部收缩量的影响示意图；
32.图10为本发明的实施例中的不同板厚和加热速度对挠度的影响示意图；
33.图11为本发明的实施例中的不同加热线位置对局部收缩量和挠度的影响示意图；
34.图12为本发明的实施例中的不同板长、板宽和曲率半径对局部收缩量和挠度的影响示意图；
35.图13为本发明的实施例中的钛合金重叠加热的数值计算方法的流程图。
具体实施方式
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.本实施例提供了一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法，如图1和图13所示，包括以下步骤：
38.s1：获取钛合金板材的几何参数、环境温度和钛合金板材在0～1000℃范围内的材料参数，以建立钛合金板材的有限元模型；如图2所示；
39.所述几何参数包括：板长l、板宽b、板厚d和钛合金板材沿板宽方向的曲率半径r等，
40.钛合金板材在0～1000℃范围内的材料参数包括密度ρ、泊松比μ、热导系数λ、线膨胀系数α、比热容c等；
41.具体的，根据板材的板面不能超过的最高温度确定加热速度下限v
min
，根据最低成形温度确定加热速度的上限v
max
，根据目标设计(加热线终点处局部收缩量和挠度)值确定加热速度v；具体的，加热速度越慢，板面吸收的热量越多，板面温度越高。加热速度越快，板面吸收的热量越少，板面温度越低。板材只有到达一定温度后，才能发生塑性变形，根据板材变形需要的最低温度，确定加热速度的上限v
max
。温度过高会破坏板材，在保证不破坏板材的前提下，板面所能达到的最高温，来确定加热速度的下限v
min
。目标设计值为最终想得到的理想变形，需要控制合理的加热速度v，加热速度v人为确定。
[0042]vmin
＜v＜v
max
[0043]
s2：根据板宽设置加热线的长h，并确定加热线在钛合金板材上的位置；以根据加热线的位置，对钛合金板材的有限元模型进行网格划分，设定钛合金板材的约束条件；
[0044]
具体的，根据加热线的位置，由于温度梯度变化，加热线所在的区域温度梯度变化大，所需要的网格尺寸小，定义为加密区，加密区网格尺寸x1。远离加热线的区域，温度梯度变化小，所需要的网格尺寸大，定义为稀疏区，稀疏区网格尺寸x3。加密区和稀疏区之间为过渡区，过渡区网格尺寸x2。其中，x1＜x2＜x3；假设加密区宽度为s1，过渡区宽度为s2；则本实施例中，加密区网格尺寸x1＝s1/10，过渡区网格尺寸为x2＝2/(5
×
x3)，过渡区网格尺寸为x3＝s1/2。
[0045]
优选地，所述加热线的长设置如下：
[0046]
一般加热线长不能大于板宽的三分之一，超过板宽的三分之一会出现失稳现象；因此加热线长
[0047][0048]
所述加热线在钛合金板材上的位置设置如下：
[0049]
所述加热线垂直于所述钛合金板材的板长l；且加热线的终点位置设置于钛合金板材的板宽b对应的边上。
[0050]
优选地，钛合金板材的约束条件设置如下：结合实际加工中板材下方垫有枕木的经验，在钛合金板材沿所述板宽b的方向的钛合金板材的边缘处，分别在1/4b、1/2b和3/4b处设置link180单向受拉弹簧支撑；拉力方向为背离所述钛合金板材的有限元模型方向；
[0051]
拉力的大小为：
[0052]
式中：g表示钛合金板材的重力。
[0053]
s3：分别在所述钛合金板材的有限元模型上设置对钛合金板材进行重叠加热时的对流换热系数、水冷换热系数和热传导边界条件；
[0054]
优选地，由于热传导随着时间的变化而变化，因此所述热传导边界条件设置如下：
[0055][0056]
式中，λ为导热系数，t为温度，ρ为材料的密度，c为比热容，t为时刻；x为板长方向；y为板宽方向；z为板厚方向，其中，λ，p，c等均随温度发生变化；
[0057]
优选地，所述对流换热系数计算如下：
[0058][0059]
其中，hp为对流换热系数；nu为努塞尔数；kxx为热导率；l
′
为特征长度；具体的，特征长度是指物体长度中有代表意义的长度。从《传热学基础手册》中查阅，计算上表面和下表面的对流换热系数时，特征长度取表面积与表面周长的比值；计算侧面对流换热系数时，特征长度取板厚。
[0060]
优选地，所述对流换热系数包括对钛合金板材进行重叠加热的第一表面(上表面)的自然对流系数，和背离第一表面的第二表面(下表面)的自然对流系数，以及设置于第一表面和第二表面之间的侧面的自然对流系数；因上表面、下表面和侧面的周长与面积不同，导致各表面的l
′
与nu并不相同：
[0061]
其中，计算第一表面的自然对流系数时：
[0062][0063][0064][0065]
式中：nu为努塞尔数；n
ul
为完全层流热交换的努塞尔数，n
ut
为完全紊流热交换的努
塞尔数；为平均薄层层流热交换努塞尔数；c
l
表示层流流动系数，能够根据空气普朗特数pr查表得到；rα为给定的瑞利数；
[0066]
计算侧面的自然对流换热系数时：
[0067][0068][0069][0070]
式中：表示建立在水平面数据上的脱体紊流流动系数，可以根据空气普朗特数pr查表得到；
[0071]
具体的，计算下表面对流换热系数时，下表面的热交换可以忽略紊流，即nu＝n
ul
，即nu＝[(nu
l
)
10
]
1/10
。
[0072]
优选地，所述水冷换热系数设置如下：
[0073]
具体的，根据实际水的流速、温度和传热面积长度计算泡态沸腾起始点的壁温，确定冷却水流动沸腾的状态，进而计算水冷换热系数；
[0074][0075]
其中，h
fb
为水冷换热系数；q
″
为冷却水流动沸腾热流密度；tw为壁面温度；t
t
为冷却水主流温度；q
″
conv
为冷却水强迫对流热流密度；q
″
boil
为冷却水大容器泡态沸腾换热热流密度；
hconv
为冷却水单相流动对流换热系数；h
boil
为冷却水大容器泡态沸腾换热系数；
[0076]
s4：设定对钛合金板材进行重叠加热的加热速度v，并在所述钛合金板材的有限元模型上设置进行1次线加热成形过程中，热源和冷却水的移动轨迹；
[0077]
优选地，所述热源和冷却水的移动轨迹设置如下：
[0078]
将热源以加热速度v从加热线起点位置开始沿所述加热线移动，直至热源移动至加热线的终点位置时离开所述钛合金板材；
[0079]
当热源在所述加热线上移动水火炬h后，跟踪水冷开始以加热速度v从加热线起点位置开始沿所述加热线移动，直至跟踪水冷移动至加热线的终点位置时离开所述钛合金板材；
[0080]
当热源和跟踪水冷都离开所述钛合金板材时，完成1次线加热成形。
[0081]
具体的，将加热线从起始位置向终点位置进行划分，划分为多个点ri(i＝0、1、2....k)点，加热线起始点位置为r0，加热线终点位置为rk；热源由加热线起点位置向加热线终点位置移动，移动水火距h后，跟踪水冷从加热线起始位置向加热线终点位置开始移动，热源和跟踪水冷保持相同的移动速度，直到热源和跟踪水冷都离开板面后，完成一次线加热成形操作。
[0082]
s5：定义热源为高斯热源，根据水火弯板使用的实际热源，设置热源的总热值、热效率、热流密度、气体流量和热有效半径等热源参数；和重叠加热次数n；以根据对流换热系
数、水冷换热系数、热传导边界条件，和和钛合金板材的约束条件，根据所述热源和冷却水的移动轨迹，对钛合金板材进行重叠加热的数值有限元模拟，获取数值模拟的钛合金板材的温度随时间变化的结果；以根据所述数值模拟的钛合金板材的温度随时间变化的结果，将其作用在有限元模型上，钛合金板材的局部收缩量和挠度。
[0083]
具体的，获取加热线上距离加热线起点位置距离分别为ri，i＝0，1，2.....处的温度场和变形场，如图3所示，在热源和跟踪水冷的移动过程中，加热线上划分的点所在的位置都会有温度变化和变形，通过数值模拟可获得这些点上的温度变化和变形，即为温度场和变形场，温度场为ri点处的温度随时间变化的结果，变形场为ri点处产生的局部收缩量和挠度；
[0084]
具体的，对钛合金板材进行重叠加热的数值有限元模拟的方法如下：
[0085]
首先根据所述热源和冷却水的移动轨迹完成1次线加热成形，进行第1次线加热成形；当钛合金板材在第1次线加热成形完毕并且冷却至室温后，对钛合金板材进行第2次线加热成形，
……
，直至对钛合金进行第n次线加热成形完毕，完成对钛合金板材的重叠加热的模拟，获取数值模拟的钛合金板材的温度随时间变化的结果；
[0086]
具体的，本实施例选用的高斯热源如图4所示，距离热源中心任一点的热流密度q
″
(r)可表示为其中热源使用的燃料丙烯的流量，a表示丙烯燃料完全燃烧时产生的热量，η表示热效率，r表示任一点距离热源中心的距离，r0表示热源的热有效半径。
[0087]
具体的，本发明的实施例中，利用apdl编写重叠加热n次的程序，定义水火距h，基于ansys平台，完全模拟人工线加热成型流程，n次重叠加热中，每次加热的工艺参数完全相同；
[0088]
优选地，钛合金板材的局部收缩量和挠度获取如下：
[0089]
s51：分别设置对称于加热线上距离加热线起点位置距离分别为ri的点的固定点对，并获取在进行重叠加热之前，固定点对之间的距离为xi；和获取加热线终点位置所在的边上的第j个点的坐标值zj，j＝1，2
…
j，其中，j为加热线终点位置所在的边上的点的总数；j为加热线终点位置所在的边上的点的编号；
[0090]
s52：根据数值模拟的钛合金板材的温度随时间变化的结果，获取进行重叠加热之后，所述固定点对之间的距离为x
′i，和加热线终点位置所在的边上的第j个点的坐标值zj′
；
[0091]
s53：获取加热线上距离加热线起点位置距离为ri的点处产生的局部收缩量为ux＝x
i-xi′
；
[0092]
获取加热线终点位置所在的边上的第j个点的挠度为uz＝z
j-zj′
。
[0093]
具体的，在经过数值仿真后，得到加热线上距离加热线起点位置距离分别为ri处的对称于加热线的固定点对之间的距离为x
′i，则ri处的局部收缩量ux＝x
i-xi′
。在直角坐标系中，记录垂直于加热线的钛合金板材的边的各点在未变形前的坐标值为zj(j＝1，2...j)，数值仿真结束后，板材发生变形，记对应的点的坐标值为zj′
(j＝1，2...j)，则弯曲高度(挠度)uz＝z
j-zj′
；
[0094]
s6：根据钛合金板材的局部收缩量、挠度、所述钛合金板材的几何参数、环境温度、钛合金板材的材料参数、约束条件及所述热源和冷却水的移动轨迹下的钛合金板材的实际
的局部收缩量和实际的挠度，获取最终的热源的热有效半径和热效率；
[0095]
具体的，将通过钛合金板材的有限元模型进行重叠加热数值模拟后得到的数值模拟的距离加热线起点位置距离分别为ri处产生的局部收缩量和挠度，与在同等条件下的实际试验的结果进行相比，二者之间的差值是否小于设定值，若否，则调整热效率、热源半径，重新对钛合金板材的有限元模型进行数值模拟，直至二者之间的差值小于设定值。记录此时的热有效半径和热效率，作为最终的热源的热有效半径和热效率，其中，最终的热源的热有效半径和热效率，与加工地的实际所使用的热源的热有效半径和热效率相同。
[0096]
s7：根据所述最终的热源的热有效半径和热效率，和待进行重叠加热的钛合金板材的几何参数和材料参数，及重叠加热后的水火挠度，获取线加热成形的现场加工参数，以及现场的热源和冷却水的移动轨迹，以根据所述线加热成形的现场加工参数，以及现场的热源和冷却水的移动轨迹，对待进行重叠加热的钛合金板材进行加工，用于指导船用钛合金曲板线加热成形。
[0097]
具体的，本实施例命令流利用apdl将获取热源和热效率的整个过程进行编写和整合，获得钛合金水火弯板重叠加热有限元仿真程序；通过对几何参数(板长l、板宽b、板厚d和曲率半径r)和加工工艺参数(加热速度v、加热线长h)进行更改后，获得大量不同工况下模拟钛合金水火弯板重叠加热的有限元程序；设计批处理脚本，扩展名为.bat。设计代码copy*.txt hebing.txt到记事本,并保存为bat格式，双击该脚本即可合并文件夹中的所有程序。将所得到的程序导入ansys中运行，输出大量不同工况下的ri(i＝0、1、2....k)点的温度场和变形场，能够获知在不同工况下的在加工厂的实际加工结果。
[0098]
本发明的一个实施例如下：以ta5钛合金板材为例，该板材长l＝3m、板宽b＝1.5m、板厚d＝0.014m、曲率r＝5m。
[0099]
(1)利用apdl，在ansys软件中进行参数化建模，板材长l＝3m、板宽b＝1.5m、板厚d＝0.014m、曲率半径r＝5m。在下板面，板宽b方向的两个端部1/4b、1/2b和3/4b处设置link180单向受拉弹簧支撑。将模型材料参数定义为ta5钛合金0～1000℃范围内的材料参数(泊松比μ、热导系数λ、线膨胀系数α、比热容c等)，材料参数与温度关系如图5a～5f所示。
[0100]
(2)根据板宽b＝1.5m,定义加热线长h＝0.3m。定义加热线位置，加热线与板材上的板边垂直，加热线末端位置为上板边中点处，加热线初始位置距离加热线末端位置0.3m。根据加热线所在位置的横向距离确定加密区、过渡区和稀疏区。
[0101]
(3)定义热源参数和水源参数，定义水火距h＝0.15m。根据实验表明，ta5钛合金在加热到800℃时，其冲击韧性高出600℃时36％左右，高出700℃时16％左右。定义热源移动速度v＝0.075m/s,在热源以速度v＝0.075m/s移动时，板面最高温度可达800℃。
[0102]
(4)设置对流换热系数，根据传热学理论，计算钛合金板材上表面空气自然对流系数h
t
、侧面空气自然对流系数hs、下表面空气自然对流系数hb。
[0103]
表1对流换热系数
[0104][0105]
(5)设置水冷换热系数，根据实际水的流速、温度和传热面积长度计算泡态沸腾起始点的壁温，确定冷却水流动沸腾的状态，进而计算水冷换热系数。
[0106]
表2水冷换热系数
[0107]
温度/℃水冷换热系数20256.241101445602001294623001288394001287235001287156001287447001287878001288369001288871000128939
[0108]
(6)根据实际加工经验和数值计算结果表明，ta5钛合金板材抗变形系数大，需要在加热线位置进行三次重叠加热。经过三次加热后，加热线终点处局部收缩量和挠度随温度变化如图9和图10所示。编写重叠加热三次的程序和结果输出程序，利用ansys运行程序，进行仿真，热源从加热线初始位置向加热线终点位置开始移动，热源移动一段距离后，跟踪水源从加热线初始位置开始移动，水源移动速度与热源移动速度相同。热源和水源都离开板面后，第一次线加热成形完成。
[0109]
(7)第一次线加热成形完成后，开始第二次线加热成形，第二次线加热成形的加工工艺参数和步骤与第一次完全相同。
[0110]
(8)第二次线加热成形完成后，开始第三次线加热成形，第三次线加热成形的加工工艺参数和步骤与第一次和第二次完全相同。根据实际加工经验和数值计算结果表明，ta5钛合金板材在经过一次加热和二次加热后，产生的变形较小，重叠加热三次后，产生了明显
的变形。
[0111]
(9)将三次线加热成形后得到的ta5钛合金帆形板数值模拟结果进行输出，加热线终点处局部收缩量随温度变化如图6所示，加热线终点处在三次加热中，加热线终点处的温度和变形数据实时获得，温度场和变形场实时对比，每次加热在终点处产生的温度变化规律相同，产生的最高温度相差不大。一次加热最终产生的局部收缩量为0.031mm，二次加热最终产生的局部收缩量为0.25mm，三次加热最终产生的局部收缩量为1.0mm。二次加热相比于一次加热，局部收缩量增加706％，三次加热相比于二次加热，局部收缩量增加750％。加热线终点处挠度随温度变化如图7所示，温度变化和挠度变化实时对比，一次加热，加热线终点处产生的最终挠度为5.47mm；二次加热，加热线终点处产生的最终挠度为11.45mm；三次加热，加热线终点处产生的最终挠度为20.34mm。二次加热产生的挠度比一次加热产生的挠度增加88％。三次加热产生的挠度比二次加热产生的挠度增加112％。根据实际经验和数值模拟的情况，实时获取加热过程中，监测点位置的变形。同时温度场和变形场也能够获得实时获得和对比。
[0112]
总结不同工况对钛合金帆形板线加热成形影响规律。不同板厚和加热速度对钛合金板面最高温度的影响如图8所示，在相同板厚下，热源移动速度越慢，钛合金板面吸收的热量越多，产生的最高温度越高。由于板面吸收的热量会往板厚方向进行传热，板厚越大越容易传热，在相同加热速度条件下，板面产生的最高温度随着板厚的增加而减小。不同板厚和加热速度对加热线终点处局部收缩量和挠度的影响如图9和图10所示，在相同加热速度下，板厚越大，钛合金板材越难产生变形，加热线终点处产生的局部收缩量和挠度越小。在相同厚度下，加热线终点处产生的局部收缩量和挠度随着加热速度减小而增大。加热线不同位置对加热线终点处局部收缩量和挠度的影响如图11所示，局部收缩量属于加热线所在位置产生的局部变形，因此加热线位置不同，对局部收缩量几乎不产生影响。挠度属于整体变形，加热线位置越靠近板材中心位置，加热线两边收到的约束相对均匀，产生的挠度越大，越靠近板边位置，产生的挠度越小。不同板长、板宽和曲率半径对局部收缩量和挠度的影响如图12所示，板长、板宽和曲率半径对局部收缩量的影响不大。挠度受板长、板宽和曲率半径影响较大，板长越长，产生的挠度越大，板宽越宽，产生的挠度越小，曲率半径与产生的挠度大小呈负相关。
[0113]
综上所述，对选用的钛合金板材进行水火弯板重叠加热数值计算，数值模拟的结果表明，单次加热产生的变形小，经过三次加热后产生了明显的变形，符合钛合金线加热成形规律。
[0114]
基于该发明提出的数值计算方法，并且可用于验证加热次数、板长、板宽、加热速度等影响因素对钛合金板材线加热成形的影响。
[0115]
本发明的钛合金水火弯板重叠加热数值计算方法，用于在一条加热线上进行重叠加热，实现钛合金水火弯板重叠加热的数值计算，为钛合金板材线加热成形以及相关自动化设备的开发提供数据支持。
[0116]
在线加热成形实际加工中，为促进板材成形，会在板宽方向的端部垫有枕木，使得板材整体处于悬空状态，只有两个板宽端部的下表面和枕木接触，钢板的两个长边没有约束。本实施例中利用apdl，能够在ansys软件中，对模型下板面板宽方向的设置link180单向受拉弹簧支撑，贴近实际加工过程中板材受到的约束。
[0117]
本实施例针对重叠加热次数n≥2的钛合金线加热成形数值预测时，在确定了最终的热有效半径和热效率后，利用apdl编写n次重叠加热的程序。对于不同规格和种类的钛合金板材，只需使用最终的热有效半径和热效率，改变程序中的几何参数、材料参数和边界条件等，适用性好，操作灵活。利用apdl，能够实现钛合金板材有限元模型的全过程分析，即建立参数化的cad模型、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化的后处理。利用批处理文本，可对不同工况下的钛合金水火弯板重叠加热的程序进行整合处理，提高计算效率。
[0118]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：获取钛合金板材的几何参数、钛合金板材的材料参数，以建立钛合金板材的有限元模型；所述钛合金板材的几何参数包括：板长l、板宽b、板厚d和钛合金板材沿板宽方向的曲率半径r，所述钛合金板材的材料参数包括密度ρ、泊松比μ、热导系数λ、线膨胀系数α、比热容c；s2：根据板宽设置加热线的长h，并确定加热线在钛合金板材上的位置；以根据加热线的位置，对钛合金板材的有限元模型进行网格划分，设定钛合金板材的约束条件；s3：分别在所述钛合金板材的有限元模型上设置对钛合金板材进行重叠加热时的对流换热系数、水冷换热系数和热传导边界条件；s4：设定对钛合金板材进行重叠加热的加热速度v，并在所述钛合金板材的有限元模型上设置在进行1次线加热成形过程中，热源和冷却水的移动轨迹；s5：设置热源的热效率和热有效半径和重叠加热次数n；以根据对流换热系数、水冷换热系数，热传导边界条件和钛合金板材的约束条件，根据所述热源和冷却水的移动轨迹，对钛合金板材进行重叠加热的数值有限元模拟，获取数值模拟的钛合金板材的温度随时间变化的结果；以获取钛合金板材的局部收缩量和挠度；s6：根据钛合金板材的局部收缩量和挠度、钛合金板材的几何参数、钛合金板材的材料参数、约束条件及所述热源和冷却水的移动轨迹下的钛合金板材的实际的局部收缩量和实际的挠度，获取最终的热源的热有效半径和热效率；s7：根据所述最终的热源的热有效半径和热效率，待进行重叠加热的钛合金板材的几何参数和材料参数及钛合金板材的设计的局部收缩量和挠度，获取线加热成形的现场加工参数以及现场的热源和冷却水的移动轨迹，以根据所述线加热成形的现场加工参数，以及现场的热源和冷却水的移动轨迹，以对待进行重叠加热的钛合金板材进行加工。2.根据权利要求1所述的一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法，其特征在于，所述加热线的长设置如下：所述加热线在钛合金板材上的位置设置如下：所述加热线垂直于所述钛合金板材的板长l；且加热线的终点位置设置于钛合金板材的板宽b对应的边上。3.根据权利要求1所述的一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法，其特征在于，钛合金板材的约束条件设置如下：在钛合金板材沿所述板宽b的方向的钛合金板材的边缘处，分别在1/4b、1/2b和3/4b处设置link180单向受拉弹簧支撑；拉力方向为背离所述钛合金板材的有限元模型方向；拉力的大小为：式中：g表示钛合金板材的重力。4.根据权利要求1所述的一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法，其特征在于，所述热传导边界条件设置如下：
式中，λ为导热系数，t为温度，ρ为材料的密度，c为比热容，t为时刻；x为板长方向；y为板宽方向；z为板厚方向。5.根据权利要求1所述的一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法，其特征在于，所述对流换热系数计算如下：其中，hp为对流换热系数；n
u
为努塞尔数；kxx为热导率；l
′
为特征长度；所述对流换热系数包括对钛合金板材进行重叠加热的第一表面的自然对流系数，和背离第一表面的第二表面的自然对流系数，以及侧面的自然对流系数；其中，计算第一表面的自然对流系数时：其中，计算第一表面的自然对流系数时：其中，计算第一表面的自然对流系数时：式中：n
u
为努塞尔数；n
ul
为完全层流热交换的努塞尔数，n
ut
为完全紊流热交换的努塞尔数；n
ut
为平均薄层层流热交换努塞尔数；c
l
表示层流流动系数；rα为给定的瑞利数；计算侧面的自然对流换热系数时：计算侧面的自然对流换热系数时：计算侧面的自然对流换热系数时：式中：表示建立在水平面数据上的脱体紊流流动系数。6.根据权利要求1所述的一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法，其特征在于，所述水冷换热系数设置如下：其中，h
fb
为水冷换热系数；q"为冷却水流动沸腾热流密度；t
w
为壁面温度；t
t
为冷却水主流温度；q"
vonv
为冷却水强迫对流热流密度；q"
boil
为冷却水大容器泡态沸腾换热热流密度；h
conv
为冷却水单相流动对流换热系数；h
boil
为冷却水大容器泡态沸腾换热系数。7.根据权利要求1所述的一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法，其特征在于，所述热源和冷却水的移动轨迹设置如下：
将热源以加热速度v从加热线起点位置开始沿所述加热线移动，直至热源移动至加热线的终点位置时离开所述钛合金板材；当热源在所述加热线上移动水火炬h后，跟踪水冷开始以加热速度v从加热线起点位置开始沿所述加热线移动，直至跟踪水冷移动至加热线的终点位置时离开所述钛合金板材；当热源和跟踪水冷都离开所述钛合金板材时，完成1次线加热成形。8.根据权利要求1所述的一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法，其特征在于，对钛合金板材进行重叠加热的数值有限元模拟的方法如下：首先根据所述热源和冷却水的移动轨迹完成1次线加热成形，进行第1次线加热成形；当钛合金板材在第1次线加热成形完毕并且冷却至室温后，对钛合金板材进行第2次线加热成形，
……
，直至对钛合金进行第n次线加热成形完毕，以获取数值模拟的钛合金板材的温度随时间变化的结果。9.根据权利要求1所述的一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法，其特征在于，钛合金板材的局部收缩量和挠度获取如下：s51：分别设置对称于加热线上，距离加热线起点位置距离分别为r
i
的点的固定点对，并获取在进行重叠加热之前，所述固定点对之间的距离为x
i
；其中，i为距离加热线起点位置距离为r
i
的点的编号；获取加热线终点位置所在的边上的第j个点的坐标值z
j
,j＝1，2...j，其中，j为加热线终点位置所在的边上的点的总数；j为加热线终点位置所在的边上的点的编号；s52：根据数值模拟的钛合金板材的温度随时间变化的结果，获取进行重叠加热之后，所述固定点对之间的距离为x
′
i
，和加热线终点位置所在的边上的第j个点的坐标值z
j
′
；s53：获取加热线上距离加热线起点位置距离为r
i
的点处产生的局部收缩量为ux＝x
i-x
i
′
；获取加热线终点位置所在的边上的第j个点的挠度为uz＝z
j-z
j
′
。

技术总结
本发明公开了一种钛合金水火弯板重叠加热的数值计算方法，通过设置钛合金板材的有限元模型的参数，使其与实际加工厂的环境条件相同，通过数值模拟，获得钛合金板材水火弯板重叠加热后产生的温度场和变形场，确定最终的与加工厂实际热源相同的最终的热源的热有效半径和热效率，并根据最终的热源的热有效半径和热效率，和待进行重叠加热的钛合金板材的几何参数和材料参数及重叠加热后的设计挠度，获取线加热成形的现场加工参数以及现场的热源和冷却水的移动轨迹，以对待进行重叠加热的钛合金板材进行加工。能够获取多次加热后的钛合金板的形态，用于指导现场加工，极大的降低了加工的周期和成本。工的周期和成本。工的周期和成本。


技术研发人员：王顺 王佳炎 代金良 徐志康
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/9/6