理论基础热传导假设与求解假设热压釜换热边界环境受固化构件的影响很小,由此,便可以利用简单的平板试验进行评估热压釜的边界条件。文中认为固化热压釜加热均匀,因此,计算得到一个方向的总放热系数便可以代替总体的放热系数。这样便把问题处理为一维热传导无内热源瞬态问题,公式为:cTt=kxT2x2(1)边界条件为:kxTt=0(T-Tf)(2)式中,c,T,t,kx分别为密度,热容,温度,时间,热导率。若模型各种参数已知,通过试验测定一组参考温度Tf,假定初始换热系数序列00(Tf)便可求温度场分布函数:T=T(00(Tf),t)(3)将计算的温度场与试验测量温度场进行比较,若符合收敛判据,则对应于计算温度场的总放热系数序列00(Tf)为等效热边界条件。试验测量值与每一次迭代计算温度差的范数作为收敛判据,建立的收敛如下:minf(x)=Ni=1(Tij-Tim)2(4)式中:minf(x)为目标函数,N代表目标点个数,Tij、Tim分别为计算温度、测量温度。若f(x)小于一个预设的数值便认为程序收敛。
从公式(3)看出,计算的温度场是总放热系数序列的函数,目标函数又是计算温度场的函数。这样,可以将确定热边界条件问题简化为寻找一组总放热系数序列0i(Tf)使目标函数f(x)达到最小的优化问题。本文瞬态热分析通过有限元软件ANSYS实现,优化计算根据ANSYS程序平台自带优化方法进行。在ANSYS中,为了避免得到目标函数的局部极值,首先选用零阶方法进行优化,得到整个区域的极值近似值,然后将结果选为初值,选用一阶方法进行精确求解。
试验测量试验温度采集系统文中采用的温度采集系统,由温度,数据采集卡,电脑,数据采集程序四部分组成如所示。温度传感器为E型热电偶,误差在2,动态响应时间为0.2s;数据采集卡采用台湾研华ADAM4019模块;电脑为普通P4电脑;数据采集软件采用Labview编写temperatureacquisition程序。
平板试验采用长厚比为30平板来模仿无穷大平板试验,将平板厚度截面采用导热系数很低聚氨酯薄膜进行温度隔离,模仿侧面的绝热条件,具体尺寸及热电偶布置如所示,单位为cm.平板试验可以近似的为一维热传导问题,有利于节省优化计算时间。试验的平板选择为铁平板,可以方便得到其相关的热力学参数。
数据采集速率为5/s,若对每一点进行有限元计算并且进行优化,计算时间过长。所以只是选择1期胡照会等:CFRP压力容器固化成型过程中边界条件的确定了10个测点进行。文中考虑的温度范围为30-110,给出了试验曲线数据,包括热压釜空气温度及铁板内部热电偶温度。
总放热系数序列的确定采用ANSYS进行平板换热的有限元计算时,优化程序采用软件自带的APDL进行编程,将求解总放热系数序列考虑为无约束的优化问题。是计算的有限元网格图。分析单元选择4节点热单元Plane55,自由度为温度。单元数目为40,有限元网格上下表面分别为金属外边面(热换热边界条件)与金属内侧,两侧为绝热条件。
分析模型的有限元网格Fig.5finiteelementlatticeofanalysismode将平板试验测的热压釜空气温度作为已知的热交换的参考温度,给定初始总放热系数序列,结合优化理论进行有限元瞬态热分析计算。给出了优化得到的总放热系数序列及误差分析。计算得到的总放热系数序列最大值8.784W/m2/K,最小值6.028W/m2/K,相差为2.756W/m2/K,相对偏差为31.38%.从测量温度与计算温度比较可知,温度最大偏差0.147为,相对误差最大为0.56%.从比较结果可知,文中得到的总放热序列可以作为热压釜固化过程热边界条件。
结论(1)本文认为热压釜换热边界环境受固化构件的影响很小,采用平板试验确定其边界条件,并将此作为等效的复合材料压力容器固化热边界条件。(2)平板试验与结合了优化理论的有限元共同确定了热压釜的热边界条件:其中得到了总放热系数序列最大值8.784W/m2/K,最小值6.028W/m2/K,相对偏差为31.38%.应用放热系数序列得到了计算温度与测量温度最大温差0.147,相对误差最大为0.56%.