[发明专利]一种基于力学和热力学的受压托轮温度分析方法

说明书

技术领域

本发明属于非金属材料学领域，是一种结合材料试验力学、有限元力学分析（如ANSYS等）及热力学分析为一体的分析材料性能，通过获得托轮在承载转动发生变形过程中内部温度场分布函数或曲线和最大温度值及其所出现的位置，来实现托轮最佳材料和最佳转速选取的方法。该方法不仅可以实现托轮最佳材料及转速的选取，亦可以作为其它非金属材料结构体选取材料及优化生产工艺等的指导方法。

托轮在承载转动过程中受到反复挤压，托轮的塑性变形的部分转化为内部温度升高的热源。当托轮内部的温度超过材料的热变形温度时，将会使材料的力学性能降低，甚至导致托轮的报废，因此获得托轮内部的温度场分布函数或曲线及热交换平衡时的最大温度是选取托轮制作材料及其最佳转速的重要参考指标。

背景技术

目前对于托轮材料及转速的选取，多是凭借材料的力学性能测试和实际工程经验进行选取的，而对于托轮在实际工作过程中可能出现的热力学状态却无法预测，从而对托轮的使用寿命的延长，无法提出合理的方法。随着托轮行业的发展及其使用范围的扩大，如果仅凭材料的力学性能和经验进行材料和转速的选取，必将会影响到托轮的使用年限及企业利润。在信息技术发展的今天，如果能将材料试验力学、有限元力学分析和热力学分析结合起来进行托轮工作状态下热力学状态的模拟分析，势必将会为托轮材料和转速的选取及生产工艺的优化提供一种新的指导方法。

发明内容

本发明主要是以材料试验力学、有限元力学分析及热力学分析为基础，利用有限元知识及相关软件获得托轮在受压变形过程中产生的塑性变形能量。由于托轮在实际工作过程中会受到反复的挤压，因此塑性变形能量最终转化成促使内部温度升高的热源。

本发明的技术方案参见图1。该方法主要是由材料试验力学、有限元力学分析和热力学分析三大部分构成。材料试验力学主要是为了获得有限元分析所需要的材料弹性模量、弹性极限强度及应力应变曲线等实测值；有限元力学分析主要是用于获取承载托轮的塑性变形能量和最大变形位移；热力学分析主要是为了获得承载托轮内部与外界进行热量交换时的温度场分布函数或者曲线及在平衡状态下的最大温度值。

本发明的特征还在于步骤如下：

⑴首先进行材料的力学性能试验，得到材料的弹性模量、弹性极限强度及应力应变曲线，作为有限元力学分析的基础数据，且当材料的真实应力大于弹性极限强度，判断材料在受压过程中产生了塑性变形；

⑵通过有限元模拟分析，得到托轮在受压状态下的最大位移变形量和塑性变形能量值及托轮外缘面到塑性变形截止面的距离l₁；

⑶结合热力学分析对传热过程进行模型简化，建立托轮在工作过程中的热传导方程，具体如下：

在轮轴孔处温度始终为托轮的工作环境温度T_c，在轮缘外表面处热量自由散发到温度为T_c的大气环境中，托轮的初始温度也为T_c；建立坐标系原点0点设置在变形区域与未变形区域的交界处，由数学物理方程中对一维热传导半无界问题方程的定义，可以得到托轮总的热传导方程为：

T_t-a²ΔT=f_x(l₂<x<l₁,t>0)   （1）

T|x=l2=Tc---(2)]]>