[发明专利]一种高速冲压装备关键部件热态特性的跨尺度仿真方法

摘要

本发明公开了一种高速冲压装备关键部件热态特性的跨尺度仿真方法。该方法首先确定高速冲压装备关键部件在工作过程中的主要热源及其发热量。然后确定影响关键部件温度场分布的热传递途径与热传递方式，计算对流换热系数。获取关键部件固体粗糙表面的分形维数和特征长度，模拟固体粗糙表面，综合考虑弹性、塑性、弹塑性三种不同变形机制，计算其接触热阻，从而得到各类固体接触面的接触传热系数。最后对高速冲压装备关键部件进行热态特性有限元仿真分析。本发明考虑多变形机制，在考虑动摩擦因素情况下，将变形分为三种情况分别计算基体热阻，使得仿真方法对高速冲压装备关键部件热态特性的分析更加全面、精确，更加符合实际情况。

主权项

1.一种高速冲压装备关键部件热态特性的跨尺度仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)确定影响高速冲压装备关键部件温度场分布的各主要热源，并计算各主要热源的发热量；2)确定影响高速冲压装备关键部件温度场分布的热传递途径与热传递方式，计算出对流换热系数；3)细观尺度下考虑多变形机制的固体接触粗糙表面接触传热系数计算，具体包括以下子步骤：3.1)利用功率谱法与W-M分形函数获取高速冲压装备关键部件固体接触粗糙表面的分形维数D和特征长度G，利用分形-蒙特卡罗法模拟冲压装备关键部件的固体接触粗糙表面；所述粗糙表面由微凸峰不规则排列构成，所述微凸峰由微凸体经自仿射变换构造新微凸体堆叠，再由新生成微凸体经自仿射变换构造新微凸体堆叠，如此往复，直到新生成的微凸体的微接触直径小于设定值；3.2)计算关键部件固体接触粗糙表面上构成微凸峰的微凸体的收缩热阻和该微凸峰的不同面积接触点间热阻；3.3)将关键部件固体接触粗糙表面上构成微凸峰的微凸体，根据其微接触半径的大小，分成弹性变形微凸体、弹塑性变形微凸体和塑性变形微凸体；具体分类方法如下：计算弹性变形的临界微接触半径和塑性变形的临界微接触半径；基于多变形机制的弹性变形的临界微接触半径R1和塑性变形的临界微接触半径R2的计算公式如下： R 1 = Kσ y l D 2 πEG ( D - 1 ) ]]> R 2 = ( 110 ) 1 2 ( D - 1 ) Kσ y l D 2 πEG ( D - 1 ) ]]>式中：σy为材料屈服强度；K为两接触材料各自硬度与屈服强度的比值的较小值；l为微凸体变形前截面横向宽度；E为有效弹性模量；G为特征长度；D为分形维数；将两个临界微接触半径作为分段点，若微凸体的微接触半径小于弹性变形的临界微接触半径，则将其归类为弹性变形微凸体；若微凸体的微接触半径大于塑性变形的临界微接触半径，则将其归类为塑性变形微凸体；其余归为弹塑性变形微凸体；3.4)针对发生不同形变的微凸体，分别计算其基体热阻；3.5)将固体接触粗糙表面上构成微凸峰的微凸体的基体热阻、收缩热阻和该微凸峰的不同面积接触点间热阻串联，得到高速冲压装备关键部件固体接触粗糙表面上各微凸峰的接触热阻；3.6)将固体接触粗糙表面上所有的微凸峰的接触热阻并联，计算得到关键部件固体接触粗糙表面的接触热阻；3.7)将关键部件固体接触粗糙表面的接触热阻计算结果取倒数，得到固体接触粗糙表面的接触传热系数；4)宏观尺度下高速冲压装备关键部件热态特性仿真分析：利用Pro/E构建关键部件的三维模型，导入ANSYS workbench，并划分网格，设置部件中各零件的材料属性；根据步骤1)、2)、3)的计算结果，设置关键部件热态特性仿真所需的发热量、对流换热系数和接触传热系数，在宏观尺度下对高速冲压装备关键部件进行热态特性仿真分析。