材料成形现在模拟技术

西安建筑科技大学研究生课程考试试卷考试科目：材料成型现代模拟技术课程编码：任课教师：邹德宁考试时间：学号：1204240572学生姓名：宋晔题号成绩总成绩学分123456阅卷人签字789试题总页数101.通过考察处于导热过程中各向同性物质的微元体积（δxδyδz）的能量平衡，见下图1，建立导热微分方程式。（15分）图1直角坐标系导热方程式的微元体解：首先要了解傅立叶定律，傅立叶定律kjizTyTxTgradTq其中，i，j，k分别为x，y，z坐标轴上的单位矢量。为导热率（单位KmW）。其含义表示，单位时间内，通过某单位截面上的热流q（单位2mW），与该处的温度梯度gradT成正比，但方向相反。其次，导热微分方程的推导依据，根据能量守恒定律与傅立叶定律，建立导热物体中的温度场应满足的数学表达式，即导热微分方程；AEQQ，物体在单位时间内获得的热量；E，物体在单位时间内内能的增加；A，物体对外界所做的功。对于固体来说，温度改变导致体积变化对环境所做的功A可忽略不计，上式变为：EQxzydQx+δxdQxdQzdQydQz+δz最后，直角坐标系下导热微分方程的推导考察dt时间内微元体中：[导入与导出净热量]+[内热源发热量]=[热力学能的增加]1.导入与导出微元体的净热量（1）dt时间内、沿x轴方向、经垂直于x轴的热量导入表面导入的热量：dydzdtqdQxx(单位J)同理，dt时间内、沿x轴方向、经垂直于x轴的热量导出表面导出的热量：dydzdtqdQdxxdxx(单位J)xq，dxxq分别为热量导入面和导出面上的热流密度，单位2mW。请注意，事实上这里有：dxxqqqxdxxx，所以导入与导出的热量差为：dydzdtdxxqdQdQxdxxx(单位J)同理：（2）dt时间内、沿y轴方向、经垂直于y轴的两表面导入导出的热量差：dxdzdtdyyqdQdQydyyy(单位J)（3）dt时间内、沿z轴方向、经垂直于z轴的两表面导入导出的热量差：dxdydtdzzqdQdQzdzzz(单位J)2．微元体自身的发热量dt时间内，微元体自身的发热量dvQ：dxdydzdtqQvdv3．微元体热力学能的增量（即微元体温度升高耗费的能量）dt时间内，微元体温度升高耗费的能量TQ：dxdydzdttTcQT根据前面所述的能量守恒，有：TdvdzzzdyyydxxxQQdQdQdQdQdQdQ)()()(即dxdydzdttTcdxdydzdtqdxdydtdzzqdxdzdtdyyqdydzdtdxxqvzyx整理得：tTcqzqyqxqvzyx又因为傅立叶定律，即kjizTyTxTgradTq，所以：22xTxqx，22yTyqy，22zTzqz，带入上式，得直角坐标系下的导热微分方程：tTcqzTyTxTv2222222.右下图所示了绝热、给定热流密度qr、对流、定温、辐射换热等五种边界表面的二维矩形区域网格，请用能量平衡法建立各种换热边界条件下的节点方程。（15分）解：位于平直边界上的节点如图所示边界节点(m,n)只能代表半个元↑qrCA绝热BD对流定温Tw或辐射体，若边界上有向该元体传递的热流密度为wq，据能量守恒定律对该元体有：yxttnmnm,,12,1,xyttnmnm2,1,xyttnmnm02,wnmyqyx（4-4a）若yx时，则：)22(41,2,1,1,1,wnmnmnmnmnmxqxtttt（1）求解区域边界条件如下：给定温度边界条件，y=l2，0≤x≤l1，t=tw热流边界条件，y=0，0≤x≤l1，绝热边界条件，x=0，0yl2，0对流传热边界条件，x=l1，0yl2，将上述条件分别代入（1）就可求得各换热边界条件下的节点方程。3针对给定文献，提交学习报告。（15分）解：1.介绍及提出问题阿维迪公司ISP薄板坯连铸连轧生产线钢水包容量为120吨，结晶器出口处连铸坯厚60毫米，经液芯压下后为43毫米，经三个机架压下至15毫米～25毫米。由于采用了液固两相坯料轧机，轧制压力较小，每个机架功率为600千瓦。中间带坯经剪断机、感应加热器后送至克雷莫纳炉，除保温外，还可将带坯尾部变成头部，使其先进入精轧机以减少头、尾部温差。精轧机原设计为4机架，后增设1机架。精轧机后设有冷却轨道和地下卷取机，由连铸机至带钢卷取机的全长仅为168米。工厂布局及操作。根据设计，克利蒙娜厂计划在1994年产能达到55万t/a，相当于每天生产16炉钢，最大连浇炉数为4炉钢水。在连铸坯芯部为液态的情况下就开始减薄厚度，3个大压下量的轧机机架将连铸坯的厚度减薄到结晶器出口厚度的15%。经过感应加热以后，薄板坯在卷取炉内卷取并保温。经过除鳞后，薄板坯进入4辊精轧机。根据这种布局，钢液可在170m的距离和15min内转变为钢卷。ISP(内联带钢生产)和AST(Arvedi钢技术)过程,允许在轧机入口具有非常高的温度。即离开铸造机的滚动的钢板,允许利用在内联机连铸存储的热。内联的轧制设备生产过程包括铸带轧制机,液芯还原设备,高还原机、感应加热器,克雷莫纳绕线站,除鳞机,传统精轧机和冷却区。最初的模具带厚度为74毫米,在液体核心还原过程是减少到55毫米。这个地区的最大带温度高还原机放置在带中心，主要好处技术有:1.非常低的投资成本；2.不需要隧道炉,英语和好的产品质量；3.供暖能耗下降到0时,连铸速度是在约0.14米/秒；4.高达20倍降低水的消耗；5.(相比传统轧制)温度梯度在截面是非常有用的对于轧制过程；6.低水平的安装机功率高还原机(3滚动站在0.5,0.6和0.8MW)提供还原从55到12.5毫米的带钢宽度1300毫米。AST是最紧凑的热带钢生产过程用振动模技术与优秀的效率和成本。设备的总长度是70到80米包括铸造机在前线和最终冷却器在后部。最大温度带发生在横截面并且随着连铸速度从1340℃到1420摄氏度变化。表明中间区域经历卷取还是多空隙的。主要提到的新技术的目标是显著地降低轧制力和达到非常有利的温度场相比传统流程。然而某些特定问题针对金属处理提升。中央部分材料仍是多空隙的。这个结果在改变材料密度和发生温度的特点,具有重大影响的塑料的行为材料。一个至关重要的问题也缺乏相关数据材料的热,机械性能和显著的变化的密度。数学和实验建模的糊状钢变形是一个创新主题对于非常高的温度范围内变形过程。对有色金属的变形测试更容易。不断上升的通过热机械应力的能力使钢样品的测试和模拟结果都计算机仿真和改进新的轧制技术,类似于ISP和AST流程。本章揭示了这些问题。它侧重于轴向对称的计算机模型,从而保证了其实验验证的可能性的帮助物理模拟。2．半固态钢的热机械变形模型数值分析样品的变形有液相的中央部分显示了极高的应变不均匀性要求应用程序混合分析数值解的问题，该模型致力于建模流程,这需要精度高产生的参数字段。分析解决方案的不可压缩性和质量都保护(糊状区)条件模型的重要部分。分析条件消除问题造成无意的标本量的变化应用数值方法。现有的、物理变化的钢的密度糊状区有影响的变化控制体积。真正另一方面数值错误可以是一个来源的容积损失造成干扰真正的改变。这个效果是非常不受欢迎的行为在造型的钢的热温度范围为转换特征的聚集状态。本文做了以下几个步骤a.热模拟b.控制收缩率的力学模型分析c.密度变化3相关开发的数值模拟系统——Def_Semi_Solid和JMatPro（JMatPro是英国SenteSoftware公司开发的，一款功能强大的材料性能模拟软件）计算机辅助测试的力学性能在非常高的钢温度使用Gleeble®3800物理仿真器来避免问题的出现传统的测试程序。第一个模块允许建立新项目或与之前已有的工作。整数部分的每个项目有:输入数据一个特定的压缩/拉伸试验以及结果的测量和优化。在当前版本的程序模块允许应用程序的数量的数据库引擎(在其他标准MSAcces,数据库IV和悖论7-8进行实时的系统),并允许实施材料数据库和程序的自动数据验证。第二模块(求解)给用户管理的可能性工作条件的仿真过程。逆分析可以被关闭或使用这个系统的一部分。4.计算机辅助实验过程5.结论计算机辅助测试的钢样品变形共存液体和固体阶段需要解决许多问题。其中一个问题是如何确定材料热性能和机械性能，如:热传递系数和其他热性能。最主要的问题是如何描述压力测试得到的拉力-压力曲线。该模型与不可压缩性条件解析形式允许模拟材料的变形与糊状区避免容积损失,引起一些密度。提出的程序是一个极好的半固态独特的工具,这可以是非常有用的,并可能使正确的解释结果非常高的吗温度测试。本文表明其预测能力有关:温度、形状的大小和变形区。关注的焦点是力学性能研究钢的具体特性的理论模型应用到分析。一个可以观察到压缩测试解释可能只是由于应用对模型和实现的反分析。4结合具体实例，采用正交试验，进行实验设计。（15分）解：实例：为了提高某产品的合格率，经分析考虑了温度A，时间（B），用碱量（C）三个因素，再考虑三个水平，采用L934正交表的前三列进行正交试验，合格率为31,54,38,53,49,42,57,62,64；1)用直观分析法和极差分析法分析试验结果，确定最适应的因素水平组合；2)对实验结果进行方差分析后，确定各因素的显著性次序及适宜水平组合；3)计算各因素的贡献率。（1）计算数据数据分析：1、直观法：第9方案y=64，最佳方案为：233CBA2、极差法：BCARRR，BCA各因素的趋势图：方差分析和波动贡献率计算表0.9)2,2(90.0F，0.19)2,2(95.0F，0.99)2,2(99.0F最佳水平组合是：223CBA，考虑B为不显著因素，取经济方案213CBA。5借助MATLAB软件，对焊接过程二维不稳态焊接热传导问题进行数值模拟。（20分）解：薄板焊接过程温度场分析：取焊件的一半为模型进行离散化，起点为O点，以后以v速度沿y轴运动，如图所示。根据题意该问题为二维非稳态导热，导热方程为：kQyTxTT2222c题目可化为以下微分方程组：(以y轴正方向为上，x轴正方向为右)　，上边界　，下边　，右边界轴　，左边界TTyTkTTyTkTTxTkxTkTyxTQTgradkdivTceee)轴(x界)y(0,0,0相关的实验数据：参数数值备注ρ7.82g/cm3密度v0.4cm/s焊接速度h1cm板厚度Qm4000cal/cm3热源分布密度β0.0008cal/cm2·s·℃换热系数Te，T020℃周边介质温度，初始温度k0.1cal/cm·s·℃导热系数实验过程：⑴区域设置启动MATLAB软件，在命令窗口输入pdetool，打开PDEToolBox工具箱。单击Rectangle/Square矩形选框工具，在窗口中拉出一个矩形。双击矩形区域，在ObjectDialog对话框输入Left为0，Bottom为0，Width为2，Height为2。与默认坐标相比，图形显示不在屏幕中间，所以还需要调整坐标显示比例。选择Options–AxesLimits，勾选X、Y轴的自动选项。然后在Options–Application选择HeatTransfer热传输模型。⑵边界条件设置单击，使边界变红色，然后分别双击每段边界，打开BoundaryConditions对话框，如下图所示。根据边界条件，采用Neumann条件，设置各