侧喷退火炉铝卷温度场和应力场的数值模拟研究

摘要

在铝卷的生产过程中，退火是热处理工艺中最重要的工序之一。铝卷温度场的仿真研究为退火工艺的制定提供了理论基础和参考依据。在铝卷退火过程中，由于铝卷层间存在间隙和油膜，引起了铝卷径向导热系数的不确定性，因此研究铝卷退火温度场的首要问题是铝卷层间导热系数的确定。 本文针对铝板退火实验，建立了求解铝板间导热系数的热传导反问题模型，并采用遗传算法对导热系数进行优化求解。在对铝卷传热过程进行分析的基础上，提出了侧喷加热方式的改进方法，并利用ANSYS软件分别对侧喷加热和传统径向加热退火炉内铝卷的温度应力场进行了对比仿真。该研究不仅为侧喷退火炉的设计和退火工艺的制定提供理论依据，而且对提高传热效率，缩短退火周期，节约能源也有着十分重要的现实意义。主要工作如下： （1）针对铝板退火实验，采用二节点单元和Galerkin差分格式，建立了热传导正演问题的有限元模型，并在此基础上建立了求解铝板间导热系数的热传导反问题模型。 （2）根据上述热传导反问题模型，分别采用Levenberg-Marquardt算法、Gauss-Newton算法和遗传算法对板间等效导热系数进行了求解。通过对比分析可知，遗传算法不但能克服对初始值依赖，而且有更好的抗噪性能，为其他热物性参数的优化求解提供了新思路。 （3）通过对传统径向加热退火炉内铝卷退火传热过程的分析，提出了采用侧喷加热的改进方法。利用热传导反问题得到的等效导热系数，建立了铝卷的退火温度场模型，并对径向加热和侧喷加热退火炉内铝卷的温度场和应力场进行对比仿真。仿真结果表明：与传统的径向加热的退火炉相比，侧喷加热方式下铝卷的温度场分布更均匀，卷内温差只有0.6℃，且退火周期缩短了4h，提高了铝卷退火效率。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景

1.2温度应力场仿真技术的发展状况

1.2.1退火温度应力场相关研究

1.2.2仿真技术的发展

1.3热传导反问题的发展状况

1.3.1热传导反问题概况

1.3.2热传导反问题研究方法概况

1.4研究目的及意义

1.5课题研究内容

第二章建立热传导反问题数值模型

2.1热传导反问题的反演模型

2.1.1热传导正问题的有限单元法

2.1.2热传导反问题的反演模型

2.2铝板接触传热系数的反演模型

2.2.1铝板退火加热实验设计

2.2.2铝板传热反问题模型

2.3本章小结

第三章热传导反问题的数值求解

3.1问题描述

3.2算法介绍

3.2.1 Gauss-Newton算法

3.2.2 Levenberg-Marquardt算法

3.2.3遗传算法

3.3优化结果分析

3.3.1 Gauss-Newton算法结果分析

3.3.2 Levenberg-Marquardt算法结果分析

3.3.3遗传算法结果分析

3.3.4三种算法对比分析

3.4本章小结

第四章侧喷退火炉内铝卷温度应力场仿真

4.1退火炉内铝卷传热过程分析

4.1.1铝卷退火传热过程

4.1.2侧喷退火炉的提出

4.2建立铝卷退火温度场数学模型

4.2.1对流传热系数的推导

4.2.2铝卷接触热阻系数

4.2.3铝卷温度场模型

4.3铝卷温度场的对比仿真

4.3.1铝卷的有限元模型

4.3.2边界条件的处理

4.3.3铝卷温度场的对比仿真及结果分析

4.4不同工况下仿真结果分析

4.5铝卷应力场对比仿真

4.5.1边界条件的处理

4.5.2仿真结果分析

4.6本章小结

第五章铝材退火实验

5.1铝板退火实验设计

5.2铝板退火实验结果分析

5.3小铝卷退火实验及结果分析

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1全文总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的主要成果