1、 分分 类类 号号 学学 号号 M201370760 学校代码学校代码 10487 密密 级级 硕士学位论文硕士学位论文 温度和温度和载荷载荷导致导致精冲模工作部件精冲模工作部件 微变形的研究微变形的研究 学位申请学位申请人人 : 屈亚奇屈亚奇 学 科 专学 科 专 业业 : 材料加工工程材料加工工程 指 导 教指 导 教 师师 : 张祥林张祥林 教授教授 答 辩 日答 辩 日 期期 : 2016 年年 5 月月 24 日日 万方数据 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of
2、Master of Engineering Research on the Micro Deformation of the Fine-blanking Tool Working Parts Caused by Temperature and Load Candidate : Qu Yaqi Major : Materials Processing Engineering Supervisor : Prof. Zhang Xianglin Huazhong University of Science &Technology Wuhan 430074, P. R. China Apr. 2016
3、 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印
4、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 精冲技术是一种先进的精密塑性成形技术，可以加工得到优质的零件，被广泛应用于各个工业领域。精冲模具间隙比普通冲裁小，通常为料厚的 0.5%1%，是普通冲裁的十分之一。在冲裁过程中板料在极小的空间里剧烈变形，产生大量的热量，使得冲头和凹模温度升高而引起变形。冲头刃口因为起塑性剪切的作用而承受巨大的载荷，这也会导致刃口的变形。以上两者都
5、会导致凸凹模间隙等关键设计参数的实际改变，而不合适的间隙不仅影响零件的成形质量，还会引起凸凹模过早的磨损失效，降低模具的使用寿命，本文对此展开研究。 首先，为了揭示温度变化对模具的影响，采用有限元瞬态结构-瞬态热耦合的方法，建立结构和温度场分析的三维模型，分析模具温度场的分布随模具冲压循环的变化，研究模具在此温度场下的变形。并用红外热成像仪对冲压过程中的模具进行现场测量，得到的数据与模拟结果相符。研究表明，B9 棘轮级进模在冲压循环中，第三工位凸凹模刃口附近的温度能达到 135 左右，凸凹模的热膨胀使得其间隙比设计时减小了 36%。这个间隙的变化需要在模具设计时予以考虑。 其次，精冲模具冲头轴
6、向受冲裁力、反顶力、摩擦力，径向受板料挤压力，受力状况极其复杂。而冲头的刃口是冲头对板料进行塑性剪切的部位，受力状况更加恶劣，在生产中常发生崩刃。在对失效的冲头进行观测后发现，在冲头侧壁产生了裂纹，引起冲头崩刃，冲头的刃口部位也发生了塑性变形和磨损。通过有限元仿真精冲过程，结果显示冲头在侧壁易发应力集中导致裂纹，在刃口部位的确因为高载荷而发生塑性变形。为了改善冲头刃口部位的受力状况，设计了 6 种不同的刃口倒角形状，进行有限元的分析，对比了设计倒角和传统刃口倒角的变形以及应力分布状况，得到了能大幅改善冲头受力状况的刃口倒角形状。 本文所有研究都是与国内知名精冲龙头企业合作的项目，所得的研究成果
7、都已交付企业用于实际生产。 万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II 关键字关键字：精冲模具；有限元分析；微变形；温度场；刃口 万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III Abstract Fine-blanking is an advanced precise plastic forming technology, which can be used to process parts with high quality. Based on these satisfactory advantages, fine blanking has been w
8、idely used in many industrial fields. The clearance of fine-blanking tool are smaller than that of traditional stamping. It is usually 1%-0.5% of the sheet thickness. The sheet deforms greatly in a minimal space and generates a lot of heat. It makes the temperature of punch and die goes up and leads
9、 to deformation. Cutting edge bears heavy load which leads to deformation. Both of them will lead to real change in the key design parameters, such as the clearance between punch and die. Inappropriate gap not only affects the forming quality of the parts, but also can cause premature wear failure.
10、The service life of the tool is reduced. The paper focuses on this. Firstly, in order to reveal the influence of temperature variation on the die, the coupling simulation of transient structure and transient heat by finite element method is used, 3D models are developed for the analyses of structure
11、 and temperature field. The distribution of temperature field in tool under the stamping cycle is investigated. The deformation of tool in this temperature field is calculated. The tool during stamping is measured by infrared thermal imager. The data obtained are consistent with the simulation resul
12、ts. The results indicate that while the B9 ratchet wheel progressive die stamping, cutting edge temperature of the punch and die in the third place reaches 135 degree Celsius and the clearance between the punch and die is reduced by 36% than that by design due to heat expansion. The change of the cl
13、earance needs to be considered in the design of the tool. Secondly, in axial direction, the punch of fine-blanking is suffered from blanking force, counter force and frictional force. In radial direction, the punch of fine-blanking is suffered from extrusion force. The force condition is extremely c
14、omplex. Cutting edge is 万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IV the region that the punch shears the sheet. The force condition is even worse. In the stamping process, cutting edge occurs chipping. By observing the failure of punch, we found a crack in the side wall of the punch. It causes the chipping of t
15、he punch. Plastic deformation and wear were also found at the cutting edge. The results of finite element simulation show that the punch in the side wall prone stress concentrations that can lead to crack. Plastic deformation did occur at the cutting edge because of high load. In order to improve th
16、e stress condition of the cutting edge, six different chamfers are designed and analyzed by finite element method. Compared the deformation and stress distribution of design chamfers and traditional chamfer, a specific chamfer of cutting edge is founded which can improve the stress situation. All th
17、e researches in this paper are from a project cooperating with a domestic famous fine-blanking leading enterprise. The research results have been delivered to the enterprise for practical production. Key word: Fine-blanking tool; Finite element analysis; Micro deformation; Temperature field; Cutting
18、 edge; 万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 V 目目 录录 摘摘 要要 . I Abstract . III 1 绪论绪论 . 1 1.1 精冲概述 . 1 1.2 有限元技术在精冲领域的应用 . 2 1.3 精冲模具寿命的影响因素 . 4 1.4 课题的研究意义以及内容 . 6 2 精冲模具热传递机理及分析精冲模具热传递机理及分析. 9 2.1 热传递的基本模式 . 9 2.2 热传递的基本理论 . 12 2.3 初始条件和边界条件 . 12 2.4 接触热阻 . 14 2.5 精冲模具热量产生及传递分析 . 16 3 热变形有限元模拟与实验热变形有限元模拟与实验
19、 . 20 3.1 有限元模拟可靠性 . 20 3.2 B9 棘轮模型的建立 . 23 3.3 温度场有限元分析 . 28 3.4 实验验证 . 34 3.5 热膨胀有限元分析 . 38 3.6 本章小结 . 39 4 冲头崩刃观测分析及刃口倒角设计冲头崩刃观测分析及刃口倒角设计. 41 4.1 崩刃冲头观测及分析 . 41 万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 VI 4.2 刃口倒角形状设计 . 45 4.3 二维模型的建立 . 47 4.4 应力场有限元分析 . 49 4.5 变形有限元分析 . 51 4.6 本章小结 . 53 5 总结与展望总结与展望 . 55 5.
20、1 全文总结 . 55 5.2 研究展望 . 56 致致 谢谢 . 58 参考文献参考文献 . 59 附录附录 攻读硕士学位期间发表的论文攻读硕士学位期间发表的论文 . 63 万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.11.1 精冲概述精冲概述 精冲属于无屑加工技术，是在普通冲压技术的基础上发展起来的一种精密冲裁方法，它以高效、优质、节能和降低生产成本、提高安全性和环保性等特点著称。精冲能在获得比普通冲裁零件尺寸精度高， 冲裁面光亮带大， 翘曲度小的优质零件，并以较低成本改善产品的质量 1-4，被广泛应用与汽车、摩托车、仪器仪表、钟表、精密机械等现代工业领
21、域。 图 1-1 各类精冲件 精冲比普通冲裁所需的条件苛刻，为保证精冲的顺利进行，需要有以下四个要素：适合精冲加工的金属材料、特殊结构的模具、精冲压力机、合适的润滑剂。与普通冲裁相比，虽然精冲也是分离工序，但其成型机制已经发生了根本性的变化，精冲实际上是一个金属塑性变形的过程，塑性变形贯穿整个精冲的过程，并且没有断裂发生。 图 1-2 是精冲的原理图，冲裁开始时，齿圈压板 8 向下移动，将 V 形齿圈压入板料并在压边力 PR的作用下将板料 9 紧紧地固定在齿圈 8 和凹模 2 之间，四周的 V形齿圈提供横向侧压力，防止板料剪切变形区材料的横向流动，抑制裂纹的提前发生。 然后在冲头 1 压入板料
22、的同时， 反顶力 PG通过反顶杆施加在板料上， 将其压紧。万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 在这种压力状态下，冲头向下运动完成冲裁。剪切区金属受到冲裁力、压边力和反顶力的综合作用， 保持三向压应力状态， 充分发挥板料的塑性。 在整个精冲过程中，材料以纯剪切的形式完成冲裁5-6。冲裁结束后，开模，压力释放，工件和废料被顶出，吹出装置吹出零件，板料送进，开始下一轮的精冲。 图 1-2 精冲原理图 1.21.2 有限元技术在精冲领域的应用有限元技术在精冲领域的应用 有限元数值模拟技术是分析塑性成型的一种有效的方法，它不需要构建一个物理模型，通过计算机仿真就可以获得金属变形
23、过程中应力场、应变场、温度场和流动规律等其他重要参数。因此，用有限元分析结果指导实际生产，不仅可以有效缩短新产品的开发周期，提高效率，还可以有效地减少试验次数，节约成本。 随着 CAD / CAE 技术的快速发展，计算机数值模拟技术也日渐成熟，现有的有限元软件不仅可以用于分析线性问题，还能用于相对复杂的非线性问题的分析，也-冲裁力 -冲裁单边间隙 -压边力 -反顶力 1-凸凹模；2-凹模；3-内形凸模；4-反压板；5-顶杆；6-压板；7-压杆； 8-齿圈；9-板料；10-精冲零件；11-内形废料 万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 能获得可靠的结果。在板料成形中，常用
24、的有限元软件用 ANSYS、ABAQUS、DEFORM、DYNAFORM 等。这些软件功能强大，每一种都各有优点，为设计者提供了有力的工具。 1998 年，汤川伸树等人使用有限元法对金属剪切过程进行了模拟，得到了刃口圆角大小和相对应的间隙对应力应变应力分布的规律，提出可以根据模拟得到的静水应力分布来预测初始裂缝的发生处。 T.C.Lee 等人7-8在精冲模拟中引入了大变形理论。研究结果表明，增加压边力以及减小凸凹模间隙都使得刚体转动增大，而刚体转动又将大大影响应变分布和精冲件的表面质量。 NHatanaka 等人9-11使用了自己开发的刚塑性有限元程序，并使用了修正后的Cockcroft-La
25、tham 韧性断裂准则，模拟板料冲压过程中的裂纹产生和扩展情况。模拟的结果与使用 3mm 厚钢板进行实验结果吻合良好。得到了不同冲裁间隙和下裂纹的产生和扩展和冲裁断面形貌数据。 L.C.Chan 等人12-13使用了大变形弹塑性有限元法对精冲过程进行数值模拟，在ABAQUS 中使用了更新的拉格朗日公式，标准刚度矩阵和初始刚度矩阵，并且考虑了接触问题和凸凹模圆角半径以保证得到正确的仿真结果。 谢晓龙、赵震等人14使用了 DEFORM-3D 对齿轮零件的精冲过程进行模拟，对其等效应力、静水应力以及损伤分布和发展趋势进行了分析。 胡建华、 付炳欣等人15对小模数齿轮的精冲过程进行了模拟， 研究了冲裁
26、间隙、压边圈大小、模具刃口圆角、压边力和反顶力对成形的影响，得到了各个工艺参数和冲裁面光洁度的对应关系，并做了实验进行验证，二者吻合度较高。 Kwak T S 等人16使用了 DEFORM-2D 对 45 钢的精冲过程进行模拟，分析了不同冲裁间隙和塌角高度、塌角宽度、光亮带长度、断裂带长度的对应关系，并做了实验进行验证，二者吻合度较高。 万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 1.31.3 精冲模具寿命的影响因素精冲模具寿命的影响因素 精冲模具间隙比普通冲裁小，通常为料厚的 0.5%1%17，材料就沿着凹模的刃口形状， 以纯剪切的形式冲成零件， 其剪切力很大18， 而且精
27、冲过程中摩擦严重，使得精冲模具的工作状况非常恶劣，其寿命很难得到保证。另外精冲件的断面质量要求很高，精冲模具的好坏直接影响精冲件的质量，因此精冲模具的寿命是制约精冲技术应用和发展的瓶颈。 模具寿命是指模具可以生产产品的数量，包括首次寿命和修模寿命19。与普通冲压相比，精冲模具寿命由于复杂的工作条件而大大降低。精冲模具寿命受到许多因素的影响，主要包括以下方面： (1) 精冲设备 精冲设备（如精冲压力机）的精度和刚性对模具的寿命有重大的影响。精冲设备精度高，刚性好，则模具的寿命长。精冲设备的开发与数量是体现一个国家精冲行业产能的标志。目前，世界上精冲压力机的生产和发展主要集中在欧洲、美国、日本等共
28、计30多个发达国家。 其中， 著名的有瑞士的Feintool、 德国的SMG-Feintool、日本森铁工株式会社等20。 精冲技术在我国起步较晚，精冲压力机发展水平和国际仍存在某种程度上的差距。国内许多精冲压力机是由普通压力机改装而成。这样虽然节省了设备费用，但在某种程度上牺牲了精密冲裁工件的质量和精冲模具的使用寿命。 (2) 精冲模具材料 精冲模具材料是影响精冲模具使用寿命最重要的影响因素之一21。模具材料应该具备良好的综合性能，包括淬透性、硬度、耐磨性、韧性、尺寸稳定性和可加工性。硬度是模具材料的一个重要特性，它与材料的其他物理性质如耐磨性、可加工性和韧性具有直接的关系。 高碳高铬钢Cr
29、12MoV， 半高速钢QHZ和粉末冶金钢S390，S790 是国内企业使用较多的精冲模具钢材。 (3) 热处理工艺 万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 热处理工艺对精冲模具材料的各种物理特性具有巨大的影响。通过热处理工艺可以有效改善钢的组织和性能。特殊热处理加工技术，如表面涂层技术可使模具表面获得高硬度、高耐磨性的表层，实现韧性和强度的统一。 (4) 精冲模具结构 不合理的模具结构如凸凹模间隙不合理，会导致磨损加剧、应力集中等问题，使得模具寿命急剧下降。 (5) 精冲模具的加工质量 加工质量包括尺寸精度和表面质量。如果精冲模具的装配间隙不均匀，将严重影响模具的使用寿命
30、。由加工引起的残余应力和变质层，也会导致模具间隙不均匀或诱发裂纹扩展导致失效。 (6) 精冲零件的难易程度 零件的难易程度受形状、厚度、材料等因素综合而定，制作的零件越复杂，则精冲模具的寿命越低22。精冲零件的材质一定时，则材料越厚模具寿命越低。而对于同样的材料和料厚，材料的热处理状态不同（退火或球化退火） ，模具寿命也有显著差别。球化退火的材料模具寿命明显比普通退火材料的模具寿命要高。 (7) 精冲模具的润滑 精冲模具是否润滑，润滑效果如何对模具寿命具有重大影响。没有润滑，精冲件会有撕裂现象； 有良好润滑， 摩擦剪切力可以减少到没有润滑时的 1%。 可以看出，合理的润滑对模具寿命具有重大影响
31、。但目前国内对精冲润滑液的配制仍然主要停留在生产企业的经验上，没有对精冲润滑油的专业研究。 目前，国内外针对模具寿命的研究大都围绕模具材料、模具结构、精冲设备等展开， 未有针对冲头微变形的研究。 精冲模具间隙比普通冲裁小， 通常为料厚的 0.5%1%， 是普通冲裁的十分之一。 即使是一些微小的变形都足以引起模具间隙的改变。而不合适的间隙不仅影响零件的成形质量，还会引起模具过早的磨损失效，降低模具的使用寿命。本项目是和国内一知名精冲龙头企业合作的，首先，在车间实地考察中发现，精冲模具在工作中温度会急剧升高，刚生产出的零件更是摸着烫手。因万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6
32、 此我们考虑精冲模具在工作中温究竟度会升高到多少，如此高的温度引起的凸凹模热膨胀又会不会导致凸凹模间隙的改变。 其次， 企业反映精冲模具的冲头易发崩刃，一般 10 万件左右就会失效。我们对失效冲头进行实验，研究刃口在高载荷的作用后的应力分布和变形。 1.41.4 课题的研究意义以及内容课题的研究意义以及内容 1.4.11.4.1 课题研究的意义课题研究的意义 精冲是冲压技术的发展的新领域，该项技术的出现不仅满足了汽车、家电、机械等行业对精密零部件的要求，更使零件质量和生产效率大大提高。影响精冲模具凸凹模间隙的因素很多，如模具结构、模具加工与热处理、压力机等23-24，这些因素对相互关联，很难综
33、合考虑。在对多家企业进行现场调研之后，了解到精冲模具首次使用冲头的寿命都较低，刃磨后再次使用的寿命往往比第一次高 50%。经讨论后认为模具在首次使用时的实际间隙与设计间隙不同，在使用了一段时间之后，由于磨损使得间隙变得合适，冲头寿命得到提高。 现有这些对模具进行有限元分析的研究工作主要针对应力应变分布的利用有限元来进行计算25-27，未考虑模具温度对寿命的影响，而连续冲压过程中模具温度的升高会引起模具的间隙尺寸配合的变化，从而引起模具各个部件之间产生挤压和摩擦增大。这一研究对模具的精准设计具有重大意义。 凸模是精冲过程的关键工作部件，受力状况复杂，受到板料的剪切抗力、板料的摩擦力以及板料的侧向
34、挤压力的综合作用。尤其是凸模刃口，在长期的循环受力作用下，在刃口处会因应力集中产生局部的镦粗，还会因位错的累积产生微裂纹，进而萌发成宏观裂纹产生崩刃和断裂。而现在大部分的企业其刃口形状都是设计成半径在 0.01 mm 左右的简单圆角。因此，设计一个良好的刃口倒角形状以减少刃口处的应力集中和变形对模具的精准设计具有重大意义。 万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 1.4.21.4.2 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 本课题的研究分为两部分： (1) 以带有细齿，对尺寸精度要求高的 B9 棘轮零件为研究对象，利用三维有限元软件 DEFORM-3D 对其精冲过程进行模拟
35、得到其连续工作的情况下的温度场分布情况， 并结合现场实际测量进行验证， 再在三维有限元软件 Ansys Workbench 中模拟模具在此温度场下的变形量，从而指导模具设计时凸凹模间隙的设置，保证零件断面质量和模具的使用寿命。以时间为序，主要完成的工作如下： 资料搜集。走访市内外诸多精冲企业，结合近期国内大型精冲会议资料，整体了解国内精冲现状， 同时， 着重调查企业在生产过程中凸模崩刃存在的主要问题，为后面的模拟工作做好准备。 建立精冲三维有限元模型。用 Solidworks 对模具进行三维建模，为后面的有限元分析做好前期准备工作。 温度场有限元分析。利用 DEFORM-3D 三维有限元软件对
36、 B9 棘轮零件的精冲过程进行模拟仿真，得到板料以及凸凹模刃口处的温度场分布情况。 进行热成像仪测量实验。与有限元模拟结果进行对比，分析有限元模拟结果的准确性。 热膨胀有限元分析。利用 Ansys Workbench 三维有限元软件对 B9 棘轮模具在连续工作温度场下的变形量进行模拟，指导模具设计。 (2) 以精冲圆形凸模为研究对象， 利用三维有限元软件 DEFORM-2D 对不同刃口倒角的冲头的精冲过程进行模拟分别得到其变形和应力的分布情况，寻找出变形最小、应力最小的刃口倒角设计。因此，本课题主要研究不同刃口倒角形状与其变形应力分布规律的联系，给企业提供改善冲头的设计，具体内容如下： 实验观
37、测失效的模具，发现模具失效的起源。 利用有限元仿真软件模拟模具的工作过程，分析模具失效的原因。 刃口形状设计。设计不同尺寸的圆角、斜角、复合斜角的刃口形状。 变形和应力有限元分析。 利用 DEFORM-2D 有限元软件对圆形冲头的精冲过万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 程进行模拟仿真，得到凸模变形和应力的分布情况。 对模拟结果进行解读，找出最合理的刃口倒角形状。 万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 2 精冲模具精冲模具热传递热传递机理及分析机理及分析 2.12.1 热传递热传递的基本模式的基本模式 物体间传热是由于存在温差发生热能从一个物体
38、到另一个物体的转移。热传递中用热量量度物体内能的改变。热传递有热传导、热辐射和热对流三种形式28-29。实际上，这三种传热方式经常同时并存，因此增加了过程的复杂性。 (1) 热传导 热传导是物体内部或相互接触的物体表面之间，由组成系统的分子或原子的热运动及其相互作用引起的热量从高温向低温迁移的宏观现象。热传导的发生不需要物体各部分之间有宏观的相对位移。当物体内部存在温度梯度时，就会实现能量从热区到冷区的转移。 对于非导电体的液体和固体来说，热传导是借助于微观弹性波来实现的。而气体条件下，传热的传导方式是分子扩散的结果。 对于金属，晶体点阵的弹性振动起的作用很小，传热主要取决于由热区向冷区的自由
39、电子扩散。 一般来说，这种传热方式是使组成物体的基本粒子的动能更趋于一致。需要指出的是，对于绝大多数应用技术方面的热传导都是针对固体而言的，对于液体和气体，在考虑对流时一般不包括传导的传热模式。 根据经验，热流密度与垂直传热截面方向的温度变化率成正比，即传热学中非常重要的傅里叶定律，由傅里叶（Joseph Fourier）于 1822 年提出。 = (2-1) 其中， 为单位时间内通过单位面积的热流量，称为热流密度，单位为W m2。为通过面积上总的热量，称为热流量，单位为W。式中的比例系数k称为材料的热导率，又称导热系数，单位为W (m K)，其数值大小反映材料的导热能力，热导率越大， 材料的
40、导热能力就越强。 导热系数与材料及温度等因素有关， 金属是良导热体，万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 热导率最大，液体次之，气体最小。负号是为了满足热力学第二定律，表示热量传递的方向同温度升高的方向相反，即热量只能由热区向冷区传递，而不是反过来。 (2) 热对流 对流是流体（包括液体和气体）流动过程中从温度较高处向温度较低处放热的现象。对流是由传热中存在着温度差的液体或气体区域内微小的流动所决定的。这种微单元的混合过程导致能量交换和改变它们之间的动量。流体的流动对对流传热起到至关重要的作用。 边界层的温度变化对对流的研究非常重要。根据流体流动的驱动力可以分为两类对
41、流：强制对流和自然对流。 强制对流，流体在外界动力（如泵、风扇、压强差等）驱动下的运动，使流体产生足够的流动。因而，强制对流强度与流体的流动方式直接相关联。 自然对流，流体因温度分布不均匀诱发密度不均匀而产生浮力作用下的运动。自然对流的形式和强度与热条件、流体的自然属性、流动途径中的几何体积形状变化直接相关联。自然对流处理是在重力场作用下而无其他体积力的情况下进行的。 一般来说，强制对流都不会单独存在，总是伴随着自然对流，在温度差较大或强制对流引起的流动很弱的情况下，后者的作用也同样重要，不可忽视。另外，流体有相变时的热量传递也是对流换热研究的范畴，如蒸汽在冷表面上的凝结或液体在热表面上沸腾。
42、 1701 年，英国科学家牛顿提出计算传热量的公式，当物体受到流体冷却时，流体和物体表面间的温差与表面温度对时间的变化率成正比。在此基础上得出的计算对流换热的基本公式，称为牛顿冷却公式，其形式为： = (2-2) 其中，为流体和物体表面间的温差，约定永远为正，当流体被加热时有 = ，当流体被冷却时有 = ，为流体温度，为物体温度，单位为K或；为表面传热系数，单位为W (2 K)，习惯上称表面传热系数为换热万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 系数。 (3) 热辐射 一切温度高于 0K 的物体都会以电磁波的方式发射具有一定能量的微观粒子， 即光子，这样的过程称为辐射，光
43、子所具有的能量称为辐射能。辐射电磁波在其传播路上遇到物体时，将激励组成该物体的微观粒子的热运动，使物体加热升温。热辐射电磁波的波长限于 0.8 微米至 0.8 毫米的红外波段。 物体的温度升高到 400500后就会发出可见光（波长为 0.40.8 微米） 。 辐射不需要像热传导和热对流两种传热方式必须借助于介质才能进行，它可以在真空中进行，并且真空中辐射换热最有效。物体进行辐射换热时内能和辐射能将进行相互转换，一方面物体将内能转换为辐射能辐射出去，另一方面又将吸收到的辐射能转换为内能。当两个物体温度不同时，高温物体向低温物体辐射热能，低温物体也向高温物体辐射热能，即使两个物体温度相等，辐射换热
44、量等于零，它们之间的热辐射交换也在进行，只不过是处于动态平衡状态。 辐射源表面在单位时间内、单位面积上所发射（或吸收）的能量同该表面的性质及温度有关 ，表面越黑暗越粗糙，发射（吸收）能量的能力就越强。为此，定义一种理想物体绝对黑体。绝对黑体（简称黑体）是理想化的能吸收投入到其表面上所有热辐射能的物体。这种物体的吸收本领和辐射本领在同温度的物体中最大。热辐射遵循的宏观规律是建立在普朗克平衡辐射场能量密度公式基础上的斯忒藩玻耳兹曼定律，即： = 4 (2-3) 其中，为辐射表面积，单位为m2；为黑体热力学温度，单位为K；为斯忒藩-玻尔兹曼 （Stefan-Boltzman） 常数， 也称黑体辐射常
45、数， 其值为5.6710-8 W (m2 K4)。 有了黑体的概念后，实际物体的辐射能力就可以由黑体的辐射能力进行修正： = 4 (2-4) 其中，为物体的发射率，或称黑度。一切实际物体的辐射能力都小于同温度下的黑体，即 1。 万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 两个表面间辐射传热量的计算较为复杂，需要考虑各表面辐射的热量和吸收的热量总和。但有一种情况的计算很简单。当一个发射率为1、面积为1、温度为1的表面被另一个温度为2的大得多的表面包围时，两表面间的辐射热流量为： = 11(14 24) (2-5) 2.22.2 热传递的基本理论热传递的基本理论 固体热传导速率
46、方程满足 Fourier 定律，其中一维、稳态条件下的 Fourier 定律表达式为： = dd (2-6) 其中， 为热流密度，单位为W m2，是与热能传输方向相垂直的单位面积上，在 x方向上的传热速率；为材料的导热系数，单位为W (m K)；dd为 x 方向上的温度梯度，单位为 m2；负号是因为热力学第二定律的要求，由温度梯度引起的热量传递必须是从热区到冷区。 对于非稳态、含有内热源的热传导问题，根据能量守恒定律，其在空间直角坐标系下的导热微分方程一般形式为： = (22+22+22) + (2-7) 其中，为材料密度，单位为kg m3; 为定压比热容，单位为J (kg )1；为单位体积的
47、内热功率， 单位为W m3， 塑性成型中通常包括相变潜热和塑性功生成热。 2.32.3 初始条件和边界条件初始条件和边界条件 对于某一种特定的传热现象，其导热微分方程需要结合单值条件才能得到特解。单值条件包括：物理条件、几何条件、初始条件和边界条件。在工程应用中，通常物体的物理性质和几何形状都是已知的，因此这里的单值条件主要指初始条件和边界条件，总称为定解条件。 万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 2.3.12.3.1 初始条件初始条件 对于传热过程问题，初始条件就是指其初始温度场，即当 t=0 时的物体温度分布。非稳态传热问题初始条件的表达式为： |=0= 0(,
48、) (2-8) 其中，0(,)为已知温度场函数，若0(,)为常数，则该问题属于均匀分布初始温度场问题。 2.3.22.3.2 边界条件边界条件 边界条件指物体表面与外界环境之间进行热量传递的规律，传热学上一般将边界条件归为三类： (1) 第一类边界条件（Dirichlet 条件） ，指的是任一瞬间物体边界上的温度已知，其数学表达式为： |= (,) (2-9) 其中，s 为物体边界；(,)为物体已知表面的温度函数，其取值随空间和时间的变化而变化，若其取值为常数，则表示该表面上的温度均匀分布。 这类边界条件对于计算来说特别容易。但对实际物理过程很难做到，因为对一个物体施加恒定温度较困难。用另外一
49、个绝热物体与之完全接触并维持恒定温度是不可能的。同时，这类传导的边界条件也可用于强烈紊流的流体接触的情形。 (2) 第二类边界条件（Neumann 条件） ，指的是物体边界上的热流密度分布及其变化规律已知，规定热流密度 q 的方向为边界的外法线方向，其数学表达式为： |= (,) (2-10) 其中，q 为物体表面上的热流密度，单位W m2。 这类边界条件适用于物体表面通过辐射能吸收热量的表面热流密度。例如：炉子中高温金属物体的加热、固体吸收太阳能。 (3) 第三类边界条件（Robin 条件） ，指的是当物体表面与流体相接触进行对流换热时，任一时刻边界面的表面传热系数和周围流体的温度已知，其数
50、学表达式为： 万方数据 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 |= ( ) (2-11) 其中，为边界面 s 处的对流换热系数，单位为W (m2 K)； 为流体温度。 在进行热传递过程的模拟时，可以将上述三类边界条件统一用第三类表达式即式 (2-11) 来表示。 当变为第一类边界条件时，取 = ，为一极大值。 当变为第二类边界条件时， 最常用的是绝热边界条件， 即|= 0， 即取= 0。 当变为第三类边界条件时，最常用的是热对流和热辐射混合换热边界条件，其表达式为： |= ( ) + (4 4) = ( ) + (4 4) = ( ) (2-12) 其中，为总换热系数： = +
