Gleeble热力模拟试验机试样温度场分析

　　Gleeble热力模拟试验机在材料研究中得到了越来越广泛的应用,它由热系统、力系统和计算机控制系统三大部分组成。Gleeble的热系统可以准确地模拟材料加工过程中的加热和冷却过程,适合于金属材料的高温力学性能和相变特性的测试。在热模拟过程中,Gleeble通过控制试样中的电流大小来控制试样加热的加热速度;采用具有良好导热性能的夹具和冷却系统控制试样的冷却速度。实际上热模拟试验中控制的温度为试样中截面热电偶焊点处的温度,试样中的温度分布很不均匀。热电偶附近的均温区是测试分析中的关键区域,均温区的大小及其影响因素对热模拟实验操作和数据分析是非常重要的。因此需要对试样均温区进行准确的估计。

　　Brown等人[1]采用3维显式有限差分法对Gleeble热模拟试样电阻加热温度分布进行了研究,对2024铝合金、0. 2%C的普碳钢及316不锈钢加热过程的温度进行了预测和验证,得出加热时试样的边界换热条件。Norris和W ilson[2]为在试样中获得理想的均温区,利用开发的GLENIS软件对热模拟中的试样形状和尺寸进行了优化。本文在前后处理器Mentat平台上用Python程序调用有限元软件Marc,在对输入试样的热通量进行二分法修正的基础上,模拟Gleeble试样按任意规定的速度进行加热和冷却过程中的温度场,并对影响均温区长度的因素进行分析。

　　1　模型的建立及验证

　　热模拟试验中广泛使用圆柱形试样,试样的两端由夹具夹持。由于夹具的尺寸远大于试样的直径,近似认为夹具与试样的接触传热满足轴对称条件,在分析过程中采用轴对称模型。

　　Gleeble电阻加热试样使用的是普通工频电流,频率低,集肤效应小,可以认为电流在试样的横截面上均匀流过[3]。假设试样的电阻均匀,则分布在试样的自由跨度中瞬时热流密度均匀。实验中通过热电偶测温和计算机控制系统来控制试样上热流密度,从而控制试样的加热或冷却速度。有限元模拟时,在试样自由跨度内的单元上输入热通量,模拟电阻加热。为实现设定的加热或冷却速度,热通量在加热或冷却过程往往是一变化量。加热或冷却过程中自由跨度内的热通量大小主要取决于设定的加热或冷却速度、试样的自由跨度、试样与夹具的接触传热系数、试样的热物性参数。如何确定这一变化的热流通量是试样温度场模拟的关键。

　　本文采用有限元软件Marc进行温度场计算。对于加热速度控制采用Python软件编程调用Marc的前后处理器Mentat来实现有限元模型中热通量的修改。具体方法是:将加热过程分成很多微小时间段dt的增量步,在每个增量步内设定恒定的热流通量,再利用Marc的重启动功能对每个增量步进行计算。在Python程序中比较每个增量步结束时的计算温度和设定温度,用二分法修正热通量值直至计算温度和设定温度一致。程序流程见图1。