第十八章熱傳導(dǎo)反問題

第18章:熱傳導(dǎo)反問題本章導(dǎo)讀Deform-3d中的Inverseheattransferwizard模塊的目的是獲得工件熱傳導(dǎo)區(qū)域的熱傳導(dǎo)系數(shù)函數(shù)。具體方法是一個被熱電偶處理過的工件進(jìn)行淬火處理或其他熱處理，在熱處理中把熱電偶處理過的位置對應(yīng)的時間一溫度數(shù)據(jù)收集起來做成數(shù)據(jù)文件?；诔跏纪茰y的熱傳導(dǎo)系數(shù),DEF0RM—3D將會運(yùn)行一個淬火處理或其他熱處理的仿真。最后DEFORM-3D最優(yōu)化程序?qū)Ρ确抡娉鰜淼臅r間一溫度數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)得到的時間溫度數(shù)據(jù)，同時進(jìn)行最優(yōu)化運(yùn)算直到達(dá)到一個最優(yōu)值。預(yù)備知識熱傳導(dǎo)反問題是反問題中的重要一類,即通過給出物體表面熱流以及對物體內(nèi)部的一點(diǎn)或多點(diǎn)的溫度觀測值，反過來推倒物體的初始狀態(tài)、流動狀態(tài)、邊界條件、內(nèi)部熱源和傳熱系數(shù)等。由于在實(shí)際工程中，材料的熱傳導(dǎo)特性以及邊界條件、內(nèi)部熱源位置等往往是不明白的,他們特別難測量得到甚至根本無法直截了當(dāng)測量得到,從而以物體表面熱流、部分內(nèi)部點(diǎn)的溫度測量值等溫度信息為基礎(chǔ)，借助一些反演分析方法進(jìn)行辨識是解決這類問題的有效方法。在反問題中，將反演參數(shù)作為優(yōu)化變量，測點(diǎn)溫度計(jì)算值與測量值之間的殘差作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過極小化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行仿真。熱傳導(dǎo)反問題(inverseheatconductionprob1em,IHCP)是基礎(chǔ)傳熱學(xué)研究的熱點(diǎn)之一,在宇宙航天、原子能技術(shù)、機(jī)械工程以及冶金等與傳熱測量有關(guān)的工程領(lǐng)域中已獲得了廣泛的應(yīng)用研究。下面我們就熱傳導(dǎo)反問題在某些領(lǐng)域的應(yīng)用做一簡要概述：1。 無損探傷領(lǐng)域:對蒸汽管道、鋼包等圓筒體進(jìn)行疲勞分析時，需要明白內(nèi)壁的溫度等邊界條件，然而內(nèi)壁溫度往往特別難直截了當(dāng)測得，而外壁溫度能夠直截了當(dāng)測得,為此,人們能夠通過外壁溫度分布信息來反演內(nèi)壁溫度的分布的情況，進(jìn)而得到內(nèi)壁的幾何形狀,實(shí)現(xiàn)無損探傷的目的。2。 宇宙航天領(lǐng)域:在引導(dǎo)航天器返回地面過程中，由于氣動加熱作用，航天器表面熱流密度極高,甚至估計(jì)會影響到航天器的安全,然而其準(zhǔn)確值無法直截了當(dāng)測量,能夠通過測量航天器內(nèi)壁的某些溫度信息來推算外壁的熱流。(熱流量是一定面積的物體兩側(cè)存在溫差時,單位時間內(nèi)由、對流、輻射方式通過該物體所傳遞的熱量。)3。 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：由于人體生理過程發(fā)生局部破壞時會伴有身體組織熱狀態(tài)的某些改變，因此在醫(yī)學(xué)上能夠利用人體表面溫度場的變化特征作為病情的依據(jù)，對人體生理過程發(fā)生破壞情況進(jìn)行分析。4。 冶金領(lǐng)域:在高爐煉鋼過程中，由于鋼水的高溫作用，會不斷復(fù)試煉鋼爐內(nèi)壁,當(dāng)煉鋼爐內(nèi)壁腐蝕到一定程度時，就需要馬上更換，假如更換不及時，估計(jì)會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故，然而假如盲目的停產(chǎn)來檢查,也會帶來特別大的成本支出，為此，希望通過測量外面的溫度來反推爐壁的厚度，以保證安全生產(chǎn)及最低的成本支出、 5。 原子能技術(shù)領(lǐng)域:在核反應(yīng)堆冷卻裝置中，由于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生了大量熱能，需要用循環(huán)水（或其他物質(zhì)）帶走熱量才能幸免反應(yīng)堆因過熱燒毀,導(dǎo)出的熱量能夠使水變成水蒸氣,推動汽輪機(jī)發(fā)點(diǎn)。人么能夠通過測量循環(huán)水初始溫度變化來反演核反應(yīng)堆內(nèi)部溫度，以保證核設(shè)施的安全運(yùn)行。通常將熱傳導(dǎo)反問題歸為以下幾種類型：1、 反向熱傳導(dǎo)問題:初始條件的估算問題,通常為已知末端時刻溫度分布來求初始時刻的溫度分布問題。2、 反邊值問題：即邊界條件的估算問題，通常為已知熱導(dǎo)體能夠接觸的部分溫度或者熱流,來求不可接觸部分的溫度和熱流。3o反系數(shù)問題：即熱物性參數(shù)估算問題，當(dāng)出現(xiàn)新材料作為導(dǎo)熱介質(zhì)時，由在邊界上的過定數(shù)據(jù)來估算材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等。4、反邊界問題:又稱邊界識別問題,即估算導(dǎo)熱物體的幾何形狀通常用于確定熱導(dǎo)體內(nèi)的未知邊界或裂縫等。5O反熱源問題:或稱為熱源的識別問題，即通過邊界條件、初始條件等估算熱源位置。18、1問題建立問題概述：本問題將會闡述如何利用InverseHeatTransferWizard來得到在熱處理過程中與介質(zhì)接觸的工件表面熱傳導(dǎo)系數(shù)函數(shù)。為了反向分析，需要輸入測得的時間一溫度數(shù)據(jù)、不同待求表面的熱傳導(dǎo)系數(shù)將會被定義為溫度或時間的函數(shù)。18。1、1建立一個新問題雙擊DEFORM-3D圖標(biāo)，進(jìn)入DEFORM—3D主窗口，單擊【NewProblem］按鈕,選擇［Inverheattransferwizard】。如圖18—1所示。點(diǎn)擊［Next〉】指定問題存儲路徑。點(diǎn)擊【Next〉】，輸入問題名稱INVHEAT1,單擊【Finish】完成新問題的建立。ProblemSetup圖18-錯誤!未定義書簽。選擇熱傳導(dǎo)反問題模塊18、1。2設(shè)置單位

在圖18—2所示界面中選擇English,點(diǎn)擊【Next）】。InverseHeatTransferWizard圖18一錯誤!不能識別的開關(guān)參數(shù)。設(shè)置單位18。1、3輸入幾何體進(jìn)入Geometry界面后，選擇從文件輸入幾何體【Importfromageometry,、KEYor、DBfile】，如圖18—3所示，單擊【Next＞】按鈕，導(dǎo)入安裝目錄ISTTC\DEFORM\vl0。2\5D\LAgS的BAR_I^VHEATOSTL文件。導(dǎo)入的零件如圖18—4所/示。圖18—錯誤!不能識別的開關(guān)參數(shù)。輸入幾何體

Step-1圖18-錯誤!未定義書簽。幾何體18o1、4生成網(wǎng)格在MeshGeneration界面中，設(shè)置網(wǎng)格數(shù)為2000,其他參數(shù)默認(rèn)，點(diǎn)擊【Next〉】按鈕生成網(wǎng)格，如圖18-5所示?！禝nverseHeatTransFerWizard圖18—2網(wǎng)格參數(shù)18、1。5定義材料在Material界面中，選擇【Loadformthemateria1library］，點(diǎn)擊【Next〉】。如圖18—6所示、

IrnerseHratIransferWizardXacerlal<?Lc-aifzG-athezateriellUzzarrrlni>&rtfron.DC-EETfiles「DE-#couentBatsrlal圖18-錯誤!未定義書簽。導(dǎo)入材料在Steel類別里選擇AlSI—1015［70—2000F(20-1100C)］點(diǎn)擊［Load】按鈕，如圖18-7所示。圖18—7選擇材料18.1.6設(shè)定起始溫度在Initia1 temperature界面中,Workpiece溫度設(shè)置為均勻(Uniform)1575F,環(huán)境溫度設(shè)置為恒定(Constant)150F,點(diǎn)擊【Next〉】。如圖18—8所示。

InverseHeatTransferWizard圖18-8初始化溫度MM18InverseHeatTransferWizard圖18-8初始化溫度MM18、lo7定義測溫點(diǎn)在TemperatureMeasurementPoints界面，點(diǎn)擊三次按鈕、輸入這三個點(diǎn)的坐標(biāo)分別為1、249、4、5、4、5;1、249、0、0、5;1、249、一4。9、2、5,點(diǎn)擊【Apply】按鈕,再點(diǎn)擊【Next〉】按鈕。如圖18—9所示。PInverseHeatTransferWizard圖18—錯誤!不能識別的開關(guān)參數(shù)。設(shè)定測點(diǎn)18、1、8輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在ThermalHistoryData界面，點(diǎn)擊【打開】按鈕，在安裝目錄/SFTC/DEFORM/V10、213D/LABS中選擇BAR_INVHEAT_Thermal_Histo叫點(diǎn)擊打開。Processstart

time輸入time輸入0,Processendtime輸入506秒。然后點(diǎn)擊【Next〉】。如圖18—10所示。圖18—錯誤!未定義書簽。導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件occ*ll-aWTH..MHV.-OAHiq18occ*ll-aWTH..MHV.-OAHiq18o1、9設(shè)置熱傳導(dǎo)區(qū)域在Heattransferzones界面中，點(diǎn)擊兩次,添加兩個熱傳導(dǎo)區(qū)域，選中Zone#1，選擇A、B面為第一個熱傳導(dǎo)區(qū)域。如圖18—11所示。選中Zone#2,選擇C面為第二個熱傳導(dǎo)區(qū)域。如圖18—12所示、點(diǎn)擊【Next〉】。圖18-錯誤!不能識別的開關(guān)參數(shù)。設(shè)置熱傳導(dǎo)區(qū)域14taiwi-a-BCma,M4H14-UML；4taiwi-a-BCma,M4H14-UML；?4-NFKM-3D%心SiHta菱No*'Him*MbEl?13d33i!?009^bad*4気若尊垸題.■史匕JL==HYf1—kiflrwA回凹_±]_d列司旦1%可召|(zhì)圖18-錯誤!不能識別的開關(guān)參數(shù)。設(shè)置熱傳導(dǎo)區(qū)域218、1、10熱傳導(dǎo)系數(shù)函數(shù)定義在Heattransfercoefficientfunctiondefinition(I)界面中，選擇熱傳導(dǎo)系數(shù)為溫度的函數(shù)、并以六個不同溫度下的熱傳導(dǎo)系數(shù)定義該函數(shù)，勾選Initia1izefunctions,在本例中設(shè)定控制點(diǎn)數(shù)為6,溫度分別為:100,400,700,1000,1300,1600F。其他均為默認(rèn)值。點(diǎn)擊［Next)】如圖18—13所不。在Heattransfercoefficientdefinition(II)界面中，所有參數(shù)均保持默認(rèn)，如圖18-14所示。單擊【Next＞】。孑InverseHeatTransferWizardCloseCloseHeatTTELnslezc-s-erriDls-ntfunctl-3-nDellnltlcn(ll；!HeaitrEasterzone:|1 亠2d回割Tb.爐)Curztntx'a.1L-nirexbc-LUidUppart-CLUicActivated?11000.0051&-200.01■400DJXfilt-20G.Dl*3700D.-005HO0.0141000D.ma1S--200.01513GDD.Gffi1C--3*G.01*6IfOOD.005lt-2-00.01尹Insert1圭AddIDC XDCAllApplyXushercfccn.izc-1.pra-int5:6圖18一錯誤!不能識別的開關(guān)參數(shù)。熱傳導(dǎo)系數(shù)函數(shù)初始化218o1、11仿真控制在Simu1ationC0ntrol界面，選擇Auto,其他參數(shù)保持默認(rèn)、如圖18—15所示。點(diǎn)擊【Next〉】按鈕、WInverseHeratTransferWizard圖18-3仿真控制18、1。12最優(yōu)化控制在OptimizationControl界面中，所有設(shè)置保持默認(rèn)，如圖18—16所示。點(diǎn)擊【Next〉】按鈕。占占ln\ieirseHeatTransferWizard圖18一錯誤!未定義書簽。最優(yōu)化控制18、1、13最優(yōu)化運(yùn)算在Optimizati0n界面中，點(diǎn)擊【CheckData］按鈕，檢查所有數(shù)據(jù)是否有效,假如有效則點(diǎn)擊【Start］按鈕開始運(yùn)算。如圖18-17所示。最優(yōu)化運(yùn)算速度依照計(jì)算機(jī)的不同而不同，一般為幾個小時。最優(yōu)化結(jié)束之后單擊【Next〉】。如圖18—18所示。ThweHeatTransferWizard圖18-錯誤!不能識別的開關(guān)參數(shù)。最優(yōu)化運(yùn)算#皿陽*被1 IC!Ilx*■*—1^1RIM'詛FailEl^l^Hab。￥1v ij|K3￡bd$4上D3S0h=>%+0.此「5：§厘1応匕1_1打上1=1±￥??圖18-錯誤!未定義書簽。最優(yōu)化結(jié)果18o2最優(yōu)化結(jié)果在OptimizationResult界面中，能夠得到最優(yōu)化熱傳導(dǎo)系數(shù)