Deform反传热仿真—教你解决热处理中换热系数精度问题

10月前浏览8656

导读：大家好，我是南风CAEer，仿真秀专栏作者，擅长基于Marc，Deform, Abaqus, Ansys, lS-Dyna的金属材料塑性加工, 焊接和热处理仿真模拟；基于Abaqus, Ansys, Marc, Franc3D的金属材料和脆性材料，复合材料的裂纹萌生与裂纹扩展，剩余寿命的有限元仿真与模拟; 基于Abaqus, Ansys, HyperWorks/optiStruct的新能源汽车零部件，电池包，车身结构的静强度，振动，疲劳，冲击的有限元仿真与模拟，以及结构优化；还从事过Abaqus，Marc，Deform二次开发、编程与调试工作。

前不久，笔者在仿真秀平台已经分享了2篇Deform原创文章：

欢迎读者朋友通过仿真秀与我互动和技术交流。今天继续给大家带来——有关SFTC Deform反传热仿真解决热处理中换热系数问题。

一、写在文前

SFTC Deform软件提供了强大的热处理功能，在模拟淬火、回火、渗碳等热处理工艺方面具有操作简洁、数据库完备、接口丰富、结果精度高等独特优势。在热处理仿真中，主要的仿真参数包括材料热物性参数，材料相变参数，热处理工艺曲线。对于热处理，温度是决定最终模拟结果的主要影响因素之一。工件与环境（介质）之间的换热系数是决定温度变化的决定性因素。因此，需要对仿真中需要的换热系数的精度重点关注。

在实际实验中，换热系数的测量非常困难，因其受环境的影响较大，且测试起来周期长，精确度较低。而实验中，对于温度的测量通常精度较高，采用简单的热电偶即可监测工件不同位置的温度变化。实验测得不同位置的温度变化曲线后，即可根据换热系数微分方程求得对流换热系数h

对于偏微分方程的求解，有限元法是再合适不过。因此，为了解决这一问题，SFTC Deform软件特意将传热系数的求解单独开发成一个模块——反传热模块（InverseHeat transfer）。

二、反传热模块计算换热系数过程详解

本文对反传热模块计算换热系数的过程进行详解。Deform软件反传热求解换热系数的方法如下图所示。利用测量装置测点的温度时间变化曲线，通过假定换热系数初值，不断逼近，来求解传热方程，得到对流换热系数。Deform中的反传热模块一般需要多个测点的温度才能保证求解获得的对流换热系数对应的冷却曲线与实测温度冷却曲线接近。

Step1: 采用Inverse Heat Transfer向导模块，采用国际单位制SI，并导入一个长方体.STL文件，划分四面体网格。

Step2: 导入材料库中的材料AISI-1015（如果是自制材料，可检测化学成分并利用Jmatpro计算其热物性，导入SFTC Deform软件的材料库中使用）。

Step3: 设定初始温度857℃，环境温度65℃。

Step4: 在模型上点选与实验中相同位置的温度监测点，也可直接输入对应点的坐标。

Step5: 实验温度数据输入，输入对应点的温度随时间变化的曲线，并设置总时间End time与实验测试时间一致，为506s。通过切换Current Point可输入其他两个点的温度时间曲线。

Step5: 定义换热面，定义与环境或其他物体的换热面，Zone#1包含顶面和右侧面，Zone#2包含底面。

Step6: 换热系数函数定义。定义换热系数是温度Temperature的函数，并采用线性差值的方法计算不同温度下的换热系数。定义6个温度点作为换热系数函数的控制点，并给出一个优化迭代的初始值5.0，限制换热系数的范围在1e-17到10之间，这是为了让软件在迭代优化的过程中减少计算时间。

Step6: 定义模拟控制。采用Auto自动控制算法，每一分析步的温度变化为1℃，每一步时间步长最小为0.001，最大为10。每10步保存一次模拟结果。

Step7: 定义优化控制参数。定义迭代次数最小为500，最大为5000，迭代次数越多，精度越高，但是同时计算量也大。其余采用默认的参数。

Step8: Checkdata检查数据，并点击Start提交计算。软件开始进行迭代优化。

在每次迭代过后，软件会自动输出每次的迭代优化结果。当软件全部计算迭代完成后会输出最后的经过优化后的换热系数计算出的温度结果和实验的测温点的温度时间曲线对比图。以及换热系数的最优化结果。

迭代过程的温度—时间曲线图

换热系数—温度曲线图

仿真的精度取决于网格数量即疏密程度，以及迭代次数，继续增大迭代次数并细化网格可进一步提高换热系数计算精度。增加温度监测点的数量也能进一步提高仿真精度。计算后的换热系数可直接用于热处理计算。

三、Deform金属材料加工仿真44讲

大家读者朋友关注笔者在仿真秀原创《Deform金属材料加工仿真44讲：加工工艺制定/材料选型/工艺参数优化/二次开发等》。本课程冀以希望帮助金属材料模具专业师生、金属材料塑性加工领域企业工艺和技术人员、金属材料热处理领域的研发人员和初次或已经有部分学习Deform软件经验的人员掌握Def orm软件系统性的使用方法，并学会使用Deform软件进行金属材料成型、热处理、切削等加工工艺仿真。

以下是课程大纲：

《Deform金属材料加工仿真44讲：加工工艺制定/材料选型/工艺参数优化/二次开发等》

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本课程为SFTC Deform材料加工仿真模拟软件的系列课程。本课程制作之前了解了现有的Deform教材，手册，包括网络上已经存在的相关教程和视频。本课程对网络或书籍上的教程不作重复录制，而是重点讲解网络上未出现的一些关于本软件的案例和使用过程中的非常细节的问题，对Deform软件使用过程中的一些基本问题，结合理论和操作，简单明了地讲解，便于理解和使用。