一种等温模锻模具温度场的在线重构方法技术

本发明专利技术提供了一种等温模锻模具温度场的在线重构方法。该方法包括如下步骤：(1)根据热传导理论和能量守恒定律建立等温模锻模具温度场的解析模型，并采用有限差分法对该解析模型进行离散，获得模具温度场的离散模型；(2)分析模具的几何特征和功能要求，建立模具边界的温度分布模型；(3)通过在线感知等温模锻过程中模具边界的温度变化，利用模具温度场的离散模型和模具边界的温度分布模型，重构整个模具的温度场。本发明专利技术的方法能够快速、准确地在线重构出等温模锻模具温度场，为有效的控制模具温度场提供方法。

【技术实现步骤摘要】

： 本专利技术属于锻造
，涉及。
技术介绍
： 温度场是塑性成形过程中的一个关键参数，其不仅影响材料的流动性和成形的完 整性，还直接影响材料的微观组织和力学性能。然而，在实际的材料塑性过程中，由于工件 热力耦合变形特性，以及模具和锻件形状的复杂性，使得工件温度场具有复杂的分布特征， 导致难以采用解析模型难以对其进行在线重构，从而对成形过程温度场重构技术提出了新 的挑战。 目前，现有的塑性成形过程工件和模具温度场重构方法主要有两种。一种是在了 解成形过程物理机制的基础上，通过有限个测量点的温度信息，将温度场重构问题转化为 边界值的求解问题，其主要的方法包括有限元法和有限差分法。另一种温度场重构方法是 在成形过程物理模型无法或者难以确定的情况下，采用神经元网络、数据挖掘等黑箱技术， 基于大量现场实验或者模拟实验的数据对成形过程的温度场进行建模，从而重构出工件和 模具温度场分布。 虽然国内外学者在温度场重构方面已经做了一定的研究，并提出了一些重构方 法。然而，现有的方法难以满足智能制造对温度场重构的速度和精度的要求。其中，有限元 方法在使用时需要花费大量的计算时间，只适合离线的温度场重构分析，难以满足温度场 在线重构的实时性要求，而神经元网络和数据挖掘方法是基于数据处理的一种黑箱技术， 其模型的建立过程完全依赖于输入输出数据，不能很好地描述成形过程的物理机制，重构 精度不足。此外，单纯的有限差分法对重构对象的要求较高，该方法难以求解具有复杂形状 和边界条件的问题。然而对于实际零件的锻造过程，模具和锻件的形状都十分复杂，而且边 界条件也是时变的。例如，在高温合金机匣等温模锻过程中，模具和锻坯都具有非常复杂的 形状和时变的边界条件。因此，实际工艺急需能快速、精确重构锻件和模具温度场的新方 法。针对这一迫切需求，本专利技术提出了一种快速、精确的等温模锻模具温度场的在线重构方 法。
技术实现思路
： 本专利技术的目的在于提供，解决了目前重 构方法不能快速、准确重构等温模锻模具温度场的难题。 本专利技术解决上述难题的方案是： -种等温模锻模具温度场的在线重构方法，该方法包括如下步骤： 步骤1 :根据热传导理论和能量守恒定律建立等温模锻模具温度场的解析模型， 并采用有限差分法对该解析模型进行离散，获得模具温度场的离散模型； 步骤2 :分析模具的几何特征和功能要求，建立模具边界的温度分布模型，包括模 具与环境接触的边界温度模型和模具与锻坯/模套接触的边界温度模型； 步骤3 :通过在线感知等温模锻过程中模具边界的温度变化，利用模具温度场的 离散模型和模具边界的温度分布模型，重构整个模具的温度场。 按照上述方案，步骤1中所述模具温度场的解析模型可以通过以下二阶偏微分方 程进行描述：⑴ 式中，x，y和z分别为笛卡尔坐标系中x，y和z三个方向的坐标；t表示时间；T表 示温度；X=k/pCp。k是导热系数；P表示单元体的密度；Cp表示单元体的比热容。 按照上述方案，步骤1中采用有限差分法对温度场解析模型进行离散，利用差分 方程代替解析模型中的微分方程，一阶和二阶差分方程如下式所示： 式中，i，j和k分别代表笛卡尔坐标系中x，y，z方向的节点；Ax，Ay和Az代表 三个方向单元的长度。△t代表时间步长；n和n+1代表当前时间步和下一时刻的时间步。将上述差分方程式（2)、（3)、（4)和（5)代入温度场解析模型式（1)，得到模具温 度场的差分方程为： 按照上述方案，步骤2中模具与环境接触的边界温度模型可以用如下方程进行描 述：(7) 式中，!；。。表示边界温度；Taro表示周围介质温度；h表示物体与周围介质的换热；n 表示边界的法线方向。 按照上述方案，步骤2中模具与锻坯/模套接触的边界温度模型采用神经元网络 模型进行描述：(8) 式中，E表示影响边界温度的工艺变量组合。x，y，和z分别代表节点位置坐标。t 代表时间，TBPbc]U代表边界温度。 按照上述方案，结合步骤1中的模具温度场差分方程和步骤2中的模具边界温度 模型，即可得到模具整体温度场。 本专利技术的有益效果：该方法综合了有限差分法和神经元网络方法的优点，可以快 速、准确地在线重构具有复杂边界条件的等温模锻模具的温度场，为实现锻造过程中实时 预测和控制锻件品质提供了新技术。【附图说明】：图1高温合金机匣等温模锻模套、模具和锻坯的结构； 图2上模具取点位置及温度变化曲线； 图3上模具结构简化流程图； 图4BP神经元网络模型结构；图5上模具温度预测值与实验值的相关性。 图1中：（a)、模具、模套和锻坯剖视图，（b)、机匣锻件结构，（c)、下模套（一半）， (d)、下模具（一半），（e)、上模套（一半），（f)、上模具（一半）（1-6分别代表上模套，加热 器，上模具，下模具，下模套和锻坯）。【具体实施方式】： 下面结合附图和【具体实施方式】对本专利技术进行详细的说明。 本专利技术是。下面以高温合金机匣等温模 锻上模具温度场在线重构为例（如图1所示），详细介绍本专利技术涉及的等温模锻模具温度场 的在线重构方法的实施细节，其方法包括： 步骤1 :根据热传导理论和能量守恒定律建立高温合金机匣等温模锻模具温度场 的解析模型，并采用有限差分法对解析模型进行离散，获得模具温度场的离散模型； 高温合金机匣等温模锻上模具内部没有热源，根据热传导理论和上模具形状特 征，可以采用柱坐标系下的热传导方程描述上模具温度场，即：(9) 根据有限差分法原理，上式一阶和二阶偏微分可以采用如下一阶和二阶差分形式 进行离散： 式中，i，j和k分别代表柱坐标系中半径，角度和高度方向的节点。Ar，A也和 Az代表半径，角度和高度方向单元的长度。At代表时间步长。n和n+1代表当前时间步 和下一时刻的时间步。 结合上式，可以得到上模具温度场的离散模型： 步骤2 :分析模具的几何特征和功能要求，建立模具边界的温度分布模型，包括模 具与环境接触的边界温度模型和模具与锻坯/模套接触当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种等温模锻模具温度场的在线重构方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤1：根据热传导理论和能量守恒定律建立等温模锻模具温度场的解析模型，并采用有限差分法对该解析模型进行离散，获得模具温度场的离散模型；步骤2：分析模具的几何特征和功能要求，建立模具边界的温度分布模型，包括模具与环境接触的边界温度模型和模具与锻坯/模套接触的边界温度模型；步骤3：通过在线感知等温模锻过程中模具边界的温度变化，利用模具温度场的离散模型和模具边界的温度分布模型，重构整个模具的温度场；其中，步骤1中所述的模具温度场的解析模型可以利用以下二阶偏微分方程描述：∂T∂t=λ(∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2)---(1)]]>式(1)中，x，y和z分别为笛卡尔坐标系中x，y和z三个方向的坐标；t表示时间；T表示温度；λ＝k/ρCp；k是导热系数；ρ表示单元体的密度；Cp表示单元体的比热容；步骤1中采用有限差分法对建立的解析模型进行离散，得到模具温度场的离散模型为：Ti,j,kn+1-Ti,j,knλΔt=Ti+1,j,kn+1-2Ti,j,kn+1+Ti-1,j,kn+1Δx2+Ti,j+1,kn+1-2Ti,j,kn+1+Ti,j-1,kn+1Δy2+Tij,k+1n+1-2Ti,j,kn+1+Ti,j,k-1n+1Δz2---(2)]]>式(2)中，i，j和k分别代表笛卡尔坐标系中x，y，z方向的节点；Δx，Δy和Δz代表三个方向单元的长度；Δt代表时间步长；n和n+1代表当前时间步和下一时刻的时间步；步骤2中模具与环境接触的边界温度模型可以表示为：h(Tbou-Taro)=-k∂T∂n---(3)]]>式(3)中，Tbou表示边界温度；Taro表示周围介质温度；h表示物体与周围介质的换热；n表示边界的法线方向；步骤2中模具与锻坯/模套接触的边界温度模型采用神经元网络方法建立，如式(4)所示：TBPbou=f(n‾,x,y,z,t)---(4)]]>式(4)中，表示影响边界温度的工艺变量组合；x，y，和z分别代表节点位置坐标；t代表时间；TBPbou代表边界温度。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蔺永诚，陈明松，吴先洋，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43