專利名稱：一種材料熱物性參數(shù)和吸收率的校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于氣缸蓋或活塞的材料熱物性參數(shù)和吸收率的校正方法，特別是涉及一種以激光為熱源的材料熱物性參數(shù)和吸收率的校正方法。
背景技術(shù)：
目前，對(duì)材料熱物性的測(cè)量方法一般分為兩種穩(wěn)態(tài)發(fā)和瞬態(tài)法。經(jīng)典的穩(wěn)態(tài)量熱法在溫度超過1000K(相當(dāng)于726. 850C )時(shí)，熱平衡時(shí)間一般很長(zhǎng)，在某些情況下試樣會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，環(huán)境控制和熱計(jì)算非常復(fù)雜。而脈沖加熱瞬態(tài)測(cè)量法目前應(yīng)用較多，但一般測(cè)
量裝置較復(fù)雜。對(duì)吸收率的測(cè)量方法主要有三類第一類是通過測(cè)量反射率來求出吸收率。這方面代表性的工作包括用量熱計(jì)測(cè)量反射率、利用線偏振光在材料表面反射后會(huì)被調(diào)制為橢圓偏振光的原理來測(cè)量反射率和利用積分球法測(cè)量反射率。而量熱計(jì)主要用于測(cè)量材料對(duì)小功率激光的反射率，后兩種方法的測(cè)量裝置都較復(fù)雜，并且利用偏振原理的方法需要專門的偏振計(jì)量裝置，積分球法需要積分球和能夠快速測(cè)量激光能量的裝置，當(dāng)激光功率較大且被測(cè)材料對(duì)激光的反射率較高時(shí)，由于容易造成積分球內(nèi)表面的損傷，因而積分球閥有一定的局限性。第二類是從量熱的角度出發(fā)，通過測(cè)量材料的溫度變化并進(jìn)行相應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算而得到吸收率。主要工作有集總參數(shù)法進(jìn)行吸收率計(jì)算，然而集總參數(shù)法應(yīng)用需滿足一定前提條件才可，工程上一般將固體內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻與固體表面的換熱熱阻之比小于0. 1成為集總參數(shù)條件。第三類是根據(jù)激光作用區(qū)材料狀態(tài)發(fā)生變化的情況來間接研究吸收情況，此方法一般只能用于對(duì)吸收率進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。但是，采用高功率密度的激光束作為熱源的氣缸蓋或活塞激光熱負(fù)荷試驗(yàn)，具有激光器系統(tǒng)龐大，氣缸蓋或活塞幾何尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，不適合取樣試驗(yàn)等特點(diǎn)，不能直接采用現(xiàn)有對(duì)材料熱物性參數(shù)和吸收率的測(cè)定方法。因此，現(xiàn)有技術(shù)的不足就需要提供一種用于氣缸蓋或活塞激光熱負(fù)荷試驗(yàn)的材料熱物性參數(shù)和吸收率的校正方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中，測(cè)量裝置復(fù)雜、不適用于高密度激光等缺點(diǎn)，從而提供一種簡(jiǎn)單的、適用于高密度激光的對(duì)活塞或氣缸蓋整體進(jìn)行測(cè)試的材料熱物性參數(shù)和吸收率的校正方法。一種用于氣缸蓋或活塞激光熱負(fù)荷試驗(yàn)的材料熱物性參數(shù)和吸收率的校正方法， 包括校正實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算兩部分，具體步驟如下1)校正試驗(yàn)將連續(xù)激光加載到氣缸蓋或活塞的完整表面上的某一位置，用測(cè)溫儀測(cè)試光斑內(nèi)某位置的溫度，并記錄溫度到達(dá)熱負(fù)荷溫度所用時(shí)間及溫度隨時(shí)間變化關(guān)系；2)模擬計(jì)算建立氣缸蓋或活塞三維有限元分析模型，加載與實(shí)驗(yàn)相同的激光參數(shù)，給定一組材料熱物性參數(shù)和吸收率的初值，通過模擬計(jì)算測(cè)點(diǎn)溫度，找到材料熱物性參數(shù)和吸收率對(duì)氣缸蓋或活塞表面溫度的影響規(guī)律；3)將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)合材料熱物性參數(shù)和吸收率對(duì)表面溫度的影響規(guī)律，根據(jù)偏差對(duì)材料熱物性參數(shù)和吸收率的數(shù)值進(jìn)行校正；4)再次進(jìn)行校正試驗(yàn)將激光束完全覆蓋氣缸蓋或活塞的火力面，實(shí)驗(yàn)測(cè)試氣缸蓋表面關(guān)注部位的溫度隨時(shí)間變化關(guān)系，將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，最終確定一組可用于此氣缸蓋或活塞激光熱負(fù)荷的材料熱物性參數(shù)和吸收率。進(jìn)一步，所述步驟1)具體包括如下步驟i)將離焦后的激光光斑垂直加載到氣缸蓋或活塞表面，調(diào)節(jié)離焦量，改變光斑大小，使得光斑完全加載到完整表面上的某一部分，并記錄氣缸蓋或活塞初始溫度；ii)加載較小功率的連續(xù)激光，對(duì)氣缸蓋或活塞進(jìn)行表面預(yù)熱處理；然后改變激光功率，用測(cè)溫儀測(cè)試激光加載區(qū)域某位置的溫度上升到熱負(fù)荷溫度所需要時(shí)間，并記錄溫度隨時(shí)間的變換關(guān)系。iii)在相同位置，進(jìn)行多次不同功率實(shí)驗(yàn)；然后改變激光加載位置，做幾組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)；單次實(shí)驗(yàn)后，需要?dú)飧咨w或活塞冷卻到初始溫度后再進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。進(jìn)一步，所述步驟2、具體包括i)根據(jù)氣缸蓋或活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，建立三維有限元分析模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)氣缸蓋或活塞頂面細(xì)化以提高計(jì)算精度。加載熱源參數(shù)選用實(shí)驗(yàn)中所用的光束參數(shù)，邊界條件設(shè)定為表面激光作用區(qū)域考慮了熱源的加載及作用區(qū)域與外界的自然對(duì)流換熱，對(duì)稱面采用絕熱邊界條件-k — L=O
dn其它面與外界的自然對(duì)流換熱為-k^- =MT-TJ
δη r其中k為導(dǎo)熱系數(shù)，η為邊界的外法線量，Ii1為表面與外界的對(duì)流換熱系數(shù)，Ta為初始溫度，Γ為物體邊界，方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。根據(jù)材料熱物性參數(shù)范圍和經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一組材料熱物性參數(shù)和吸收率的初值，加載實(shí)驗(yàn)中上升到熱負(fù)荷溫度的時(shí)間，計(jì)算測(cè)點(diǎn)溫度值；ii)改變材料熱物性參數(shù)和吸收率中的某項(xiàng)參數(shù)值，其他運(yùn)算條件保持不變，計(jì)算測(cè)點(diǎn)溫度值。與i)中結(jié)果進(jìn)行比較，觀察此項(xiàng)參數(shù)對(duì)溫度的影響規(guī)律。同樣方法，觀察其他參數(shù)對(duì)溫度的影響規(guī)律。進(jìn)一步，所述步驟幻具體包括選取重復(fù)性好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在模擬計(jì)算中加載此實(shí)驗(yàn)參數(shù)和溫度上升到熱負(fù)荷溫度的時(shí)間，根據(jù)各參數(shù)對(duì)溫度的影響規(guī)律選定一組材料熱物性參數(shù)和吸收率的初值，計(jì)算氣缸蓋或活塞表面測(cè)點(diǎn)的溫度值。根據(jù)模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，結(jié)合材料熱物性參數(shù)和吸收率對(duì)溫度的影響規(guī)律，對(duì)參數(shù)進(jìn)行校正，使得模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近。進(jìn)一步，所述步驟4)具體包括調(diào)節(jié)離焦量，使得照射到氣缸蓋或活塞表面的光斑能夠完全覆蓋整個(gè)火力面，測(cè)試初始溫度，使初始溫度與之前實(shí)驗(yàn)保持一直。加載較低功率的激光，使得溫度上升到熱負(fù)荷溫度，通過此過程對(duì)表面進(jìn)行預(yù)處理。冷卻到初始溫度后，加載不同激光功率，記錄關(guān)注部位的溫度上升到熱負(fù)荷溫度所需要時(shí)間，做幾組實(shí)驗(yàn)。 模擬計(jì)算時(shí)對(duì)整個(gè)火力面進(jìn)行加載，選用實(shí)驗(yàn)參數(shù)，材料熱物性參數(shù)和吸收率選擇已校正結(jié)果，計(jì)算測(cè)點(diǎn)溫度值。與實(shí)驗(yàn)所得溫度值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)材料熱物性參數(shù)和吸收率進(jìn)行微調(diào)，最終確定一組滿足此氣缸蓋或活塞熱負(fù)荷要求的參數(shù)值。


圖1為氣缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖；圖2為小光斑加載氣缸蓋表面位置；圖3為位置1和位置2校正實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)；圖4為不同激光功率作用下模擬與計(jì)算結(jié)果比較；圖5為覆蓋火力面大光斑加載圖；圖6a為激光功率為^OOW時(shí)火力面內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變換曲線的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果圖；圖6b為激光功率為^OOW時(shí)火力面內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變換曲線的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果圖；圖6c為激光功率為3000W時(shí)火力面內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變換曲線的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和示例方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，本發(fā)明提供了一種用于氣缸蓋或活塞激光熱負(fù)荷試驗(yàn)的材料熱物性參數(shù)和吸收率的校正方法，主要采取實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算相結(jié)合的方法。一、確定實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算所需的材料和基本激光光束參數(shù)二、校正1、調(diào)節(jié)激光頭角度，使光束能夠垂直作用到氣缸蓋或活塞表面上。并測(cè)試初始?xì)饧t蓋溫度ο2、校正試驗(yàn)校正試驗(yàn)包括三個(gè)部分小光斑校正實(shí)驗(yàn)、模擬計(jì)算和完全覆蓋火力面的大光斑校正試驗(yàn)。1)小光斑校正試驗(yàn)小光斑校正試驗(yàn)中激光光斑為完全處于氣缸蓋表面完整區(qū)域內(nèi)，即不包含氣門等不完整表面的小光斑，如圖2中所示光斑1、2。并在加載前測(cè)試初始
氣紅蓋溫度ο小光斑校正試驗(yàn)包括表面預(yù)熱處理a和校正試驗(yàn)a。首先進(jìn)行表面預(yù)熱處理a。具體為如圖2所示，對(duì)光斑1加載較小功率的連續(xù)激光，例如功率為600W的激光。加載有兩種方式設(shè)定溫度和設(shè)定時(shí)間。設(shè)定加載溫度當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)，停止加載；設(shè)定加載時(shí)間當(dāng)加載時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，停止加載。 并在兩種加載過程中均采用測(cè)溫儀測(cè)試激光加載區(qū)域內(nèi)某個(gè)位置的溫度，并記錄。然后， 通過自然冷卻或吹空氣冷卻的方式使得氣缸蓋或活塞整體進(jìn)行冷卻，使其溫度降到初始溫
6度。通過表面預(yù)熱處理，氣缸蓋被測(cè)溫位置的初始狀態(tài)能夠保持一致性，從而提高實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。在具體實(shí)驗(yàn)中，表面預(yù)熱處理采用的是設(shè)定加載溫度還是設(shè)定加載時(shí)間方式可根據(jù)后續(xù)的校正試驗(yàn)來確定，需要與后續(xù)的校正試驗(yàn)采用同種方式；即，如果后續(xù)的校正試驗(yàn)采用的是設(shè)定加載溫度的方式來確定加載是否完成，則表面預(yù)熱處理也需采取設(shè)定加載溫度，反之亦然。然后進(jìn)行校正試驗(yàn)a，校正試驗(yàn)a具體為保持圖2中光斑1的直徑不變，在不同的激光功率的條件下進(jìn)行校正實(shí)驗(yàn)記錄溫度從與步驟1中相同的初始溫度上升到設(shè)定溫度所需要時(shí)間，并記錄溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系或加載達(dá)到設(shè)定時(shí)間，測(cè)定點(diǎn)的溫度，并記錄溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。然后，改變激光加載區(qū)域，以圖2中的光斑2作為新的激光加載區(qū)域。在新的加載區(qū)域光斑2范圍內(nèi)，對(duì)同一觀測(cè)位置，分別進(jìn)行激光功率為與光斑1上采用的相同功率的激光再次進(jìn)行校正實(shí)驗(yàn)。為了得到可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可將在上述兩個(gè)光斑點(diǎn)上進(jìn)行的加載反復(fù)進(jìn)行多次，至少為3次。需要注意的是單次實(shí)驗(yàn)后氣缸蓋溫度很高，需用自然冷卻或吹空氣冷卻方式使氣缸蓋或活塞整體冷卻到與上述初始溫度相同的溫度再進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。2)模擬計(jì)算根據(jù)氣缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，建立三維有限元分析模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)氣缸蓋或活塞頂面細(xì)化以提高計(jì)算精度，加載熱源參數(shù)選用實(shí)驗(yàn)中所用的激光光束參數(shù)，例如作用區(qū)域、半徑大小、功率等。邊界條件設(shè)定為表面激光作用區(qū)域考慮了熱源的加載及作用區(qū)域與外界的自然對(duì)流換熱，氣缸蓋頂面的對(duì)稱面采用絕熱邊界條件
已τ-Jc — |廠二0
dn其中k為導(dǎo)熱系數(shù)，η為邊界Γ的外法線方向，Γ為物體邊界，方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。除氣缸蓋頂面的對(duì)稱面外，模型其它外表面與外界的自然對(duì)流換熱為-k— =Hx(T-Ta)
on Γ其中k為導(dǎo)熱系數(shù)，η為邊界Γ的外法線方向A1為表面與外界的對(duì)流換熱系數(shù)， Ta為初始溫度，Γ為物體邊界，方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。由于氣缸蓋的材料熱物性參數(shù)的選取具有一定范圍，如表1所示。因此，先在此范圍內(nèi)選取材料熱物性參數(shù)和吸收率的初值，在相同功率下，在設(shè)定加載溫度方法中，加載實(shí)驗(yàn)記錄的從初始溫度上升到設(shè)定溫度的時(shí)間，或在設(shè)定加載時(shí)間方法中，加載所設(shè)定的時(shí)間，從而計(jì)算測(cè)量點(diǎn)溫度值。分別改變模擬計(jì)算中材料的密度、比熱、熱導(dǎo)率和吸收率的其中一項(xiàng)，其他加載條件保持不變，再次計(jì)算測(cè)量點(diǎn)溫度值。比較計(jì)算結(jié)果，觀察每項(xiàng)參數(shù)對(duì)溫度的影響規(guī)律。選取上述小光斑校正試驗(yàn)中一組重復(fù)性好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在模擬計(jì)算中加載此實(shí)驗(yàn)參數(shù)和激光加載區(qū)域內(nèi)溫度由初始溫度上升到設(shè)定溫度的時(shí)間或加載所設(shè)定的時(shí)間，選取一組材料熱物性參數(shù)和吸收率的初值，計(jì)算氣缸蓋或活塞表面測(cè)點(diǎn)的溫度值。與實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)合材料熱物性參數(shù)和吸收率對(duì)溫度的影響規(guī)律，對(duì)參數(shù)進(jìn)行校正，使得計(jì)算溫度值與熱負(fù)荷溫度值相近，從而得到一組材料熱物性參數(shù)與吸收率的初步校正結(jié)果。3)完全覆蓋火力面的大光斑校正試驗(yàn)表面預(yù)熱處理b和校正試驗(yàn)b。表面預(yù)熱處理b 具體為調(diào)節(jié)離焦量及光斑位置，如圖5所示，使得照射到氣缸蓋表面的光斑能夠完全覆蓋整個(gè)火力面，測(cè)試初始溫度，并調(diào)整初始溫度，使之與之前實(shí)驗(yàn)保持一致。加載連續(xù)激光，照射區(qū)域的溫度將會(huì)上升到設(shè)定加載溫度或達(dá)到設(shè)定的加載時(shí)間， 通過此過程對(duì)表面進(jìn)行預(yù)處理。并將氣缸蓋冷卻到初始溫度。隨后進(jìn)行校正試驗(yàn)b。校正試驗(yàn)b具體為再在整個(gè)火力面上分別加載不同功率的連續(xù)激光，記錄如圖5 所示的關(guān)注部位，分別在上述不同功率激光照射的情況下，使溫度上升到設(shè)定加載溫度，記錄所需要時(shí)間及溫度隨時(shí)間變化關(guān)系，或加載所設(shè)定的時(shí)間，記錄測(cè)點(diǎn)溫度值和溫度隨時(shí)間變化關(guān)系，重復(fù)做幾組實(shí)驗(yàn)。模擬計(jì)算時(shí)對(duì)整個(gè)火力面進(jìn)行加載，選用校正實(shí)驗(yàn)中所用的激光光束參數(shù)和在步驟2中已得到的材料熱物性參數(shù)和吸收率的初步校正結(jié)果，計(jì)算測(cè)點(diǎn)溫度值。與校正試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)兩者的偏差，結(jié)合材料熱物性參數(shù)和吸收率對(duì)溫度的影響規(guī)律，對(duì)熱物性參數(shù)和吸收率進(jìn)行微調(diào)，最終確定一組滿足此氣缸蓋或活塞熱負(fù)荷要求的參數(shù)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果比較。當(dāng)模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相一致時(shí)，此時(shí)選取的材料熱物性參數(shù)和吸收率就認(rèn)為是滿足此項(xiàng)氣缸蓋熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)要求的。下面以氣缸蓋激光熱負(fù)荷試驗(yàn)中的材料熱物性參數(shù)和吸收率校正為例，來介紹具體的實(shí)施步驟，其中所列舉的參數(shù)僅僅是示例性的，本發(fā)明中所涉及到的參數(shù)，在具體操作中可根據(jù)實(shí)際情況確定具體數(shù)值。一、在一個(gè)實(shí)施例中，材料和激光基本光束參數(shù)如下，氣缸蓋火力面直徑132mm，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型如圖1所示，材料為HT250，此材料熱物性參數(shù)查表結(jié)果為表1所示。
、牌0SS比熱容熱導(dǎo)率
(g/cm3)(J/(g.°C))(W/ (m. °C>)
HT250 7.25 7.35 ”Q，？ 48.2 52.3 ___0.50 0.54 0.67 0.71 0.92 0.96__表1 HT250氣缸蓋材料參數(shù)輸入激光的基本光束參數(shù)波長(zhǎng)1. 06um,聚焦透鏡200mm，功率最高為3000瓦，工作方式為連續(xù)。二、校正方法1、調(diào)節(jié)激光頭角度，使光束能夠垂直作用到氣缸蓋或活塞表面上。改變激光束離焦量和光斑位置，使激光完全照射到氣缸蓋表面完整區(qū)域內(nèi)的光斑為直徑30mm(不包含氣門等不完整表面)如圖2中所示的位置1，并測(cè)試初始?xì)飧咨w溫度。2、校正試驗(yàn)校正試驗(yàn)包括三個(gè)部分小光斑校正實(shí)驗(yàn)、模擬計(jì)算和完全覆蓋火力面的大光斑校正試驗(yàn)。1)小光斑校正試驗(yàn)小光斑校正試驗(yàn)包括表面預(yù)熱處理a和校正試驗(yàn)a。
首先對(duì)氣缸蓋進(jìn)行表面預(yù)熱處理。表面預(yù)熱處理具體為加載較小功率的連續(xù)激光，例如功率為600W的激光。用測(cè)溫儀測(cè)試激光加載區(qū)域內(nèi)某個(gè)位置的溫度，溫度到達(dá) 260°C時(shí)，停止加載，加載時(shí)間為150S左右。然后，通過自然冷卻或吹空氣冷卻的方式使得氣缸蓋或活塞整體溫度降到初始溫度。然后進(jìn)行校正試驗(yàn)a，校正試驗(yàn)a具體為改變加載的激光功率，在激光功率分別為800W、1000W、1200W的條件下進(jìn)行校正實(shí)驗(yàn)記錄溫度從與步驟1中相同的初始溫度上升到260°C所需要時(shí)間，并記錄溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系(每次記錄時(shí)間間隔為0.4S)。然后， 改變激光加載區(qū)域，以圖2中的位置2作為新的激光加載區(qū)域。在新的加載區(qū)域2內(nèi)，對(duì)同一觀測(cè)位置，分別進(jìn)行進(jìn)行激光功率為1200W、1300W、1500W的校正實(shí)驗(yàn)。為了得到可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，需在每處激光加載區(qū)域進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，每個(gè)位置重復(fù)性較高的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。需要注意的是單次實(shí)驗(yàn)后氣缸蓋溫度很高，需用自然冷卻或吹空氣冷卻方式使氣缸蓋或活塞整體冷卻到與上述初始溫度相同的溫度再進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。2)模擬計(jì)算根據(jù)氣缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，建立三維有限元分析模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)氣缸蓋或活塞頂面細(xì)化以提高計(jì)算精度，如圖3所示。加載熱源參數(shù)選用實(shí)驗(yàn)中所用的激光光束參數(shù)，例如作用區(qū)域、半徑大小、功率等。邊界條件設(shè)定為表面激光作用區(qū)域考慮了熱源的加載及作用區(qū)域與外界的自然對(duì)流換熱，氣缸蓋頂面的對(duì)稱面采用絕熱邊界條件-k—L=O
dn其中k為導(dǎo)熱系數(shù)，η為邊界Γ的外法線方向，Γ為物體邊界，方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。除氣缸蓋頂面的對(duì)稱面外，模型其它外表面與外界的自然對(duì)流換熱為-k^- =MT-Ta)
on Γ其中k為導(dǎo)熱系數(shù)，η為邊界Γ的外法線方向A1為表面與外界的對(duì)流換熱系數(shù)， Ta為初始溫度，Γ為物體邊界，方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。由于氣缸蓋的材料熱物性參數(shù)的選取具有一定范圍，如表1所示。因此，先在此范圍內(nèi)選取材料熱物性參數(shù)和吸收率的初值，在相同功率下，加載實(shí)驗(yàn)記錄的從初始溫度上升到260°C的時(shí)間，計(jì)算測(cè)量點(diǎn)溫度值。分別改變模擬計(jì)算中材料的密度、比熱、熱導(dǎo)率和吸收率的其中一項(xiàng)，其他加載條件保持不變，再次計(jì)算測(cè)量點(diǎn)溫度值。 比較各溫度計(jì)算結(jié)果如表2所示，觀察每項(xiàng)參數(shù)對(duì)溫度的影響規(guī)律。
權(quán)利要求
1.一種材料熱物性參數(shù)和吸收率的校正方法，包括校正實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算兩部分，具體步驟如下1)校正試驗(yàn)將連續(xù)激光加載到氣缸蓋或活塞的完整表面上的某一位置，用測(cè)溫儀測(cè)試光斑內(nèi)某位置的溫度，并記錄溫度到達(dá)熱負(fù)荷溫度所用時(shí)間及溫度隨時(shí)間變化關(guān)系；2)模擬計(jì)算建立氣缸蓋或活塞三維有限元分析模型，加載與實(shí)驗(yàn)相同的激光參數(shù)， 給定一組材料熱物性參數(shù)和吸收率的初值，通過模擬計(jì)算測(cè)點(diǎn)溫度，找到材料熱物性參數(shù)和吸收率對(duì)氣缸蓋或活塞表面溫度的影響規(guī)律；3)將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)合材料熱物性參數(shù)和吸收率對(duì)表面溫度的影響規(guī)律，根據(jù)偏差對(duì)材料熱物性參數(shù)和吸收率的數(shù)值進(jìn)行校正；4)再次進(jìn)行校正試驗(yàn)將激光束完全覆蓋氣缸蓋或活塞的火力面，實(shí)驗(yàn)測(cè)試氣缸蓋表面關(guān)注部位的溫度隨時(shí)間變化關(guān)系，將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，最終確定一組可用于此氣缸蓋或活塞激光熱負(fù)荷的材料熱物性參數(shù)和吸收率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的校正方法，其特征在于，所述步驟1)具體包括如下步驟i)將離焦后的激光光斑垂直加載到氣缸蓋或活塞表面，調(diào)節(jié)離焦量，改變光斑大小，使得光斑完全加載到完整表面上的某一部分，并記錄氣缸蓋或活塞初始溫度； )加載小功率的連續(xù)激光，對(duì)氣缸蓋或活塞進(jìn)行表面預(yù)熱處理；然后改變激光功率， 用測(cè)溫儀測(cè)試激光加載區(qū)域某位置的溫度上升到熱負(fù)荷溫度所需要時(shí)間，并記錄溫度隨時(shí)間的變換關(guān)系；iii)在相同位置，進(jìn)行多次不同功率實(shí)驗(yàn)；然后改變激光加載位置，做幾組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)；單次實(shí)驗(yàn)后，需要?dú)飧咨w或活塞冷卻到初始溫度后再進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述校正方法，其特征在于，所述步驟2)具體包括i)根據(jù)氣缸蓋或活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，建立三維有限元分析模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)氣缸蓋或活塞頂面細(xì)化以提高計(jì)算精度；加載熱源參數(shù)選用實(shí)驗(yàn)中所用的光束參數(shù)，邊界條件設(shè)定為表面激光作用區(qū)域考慮了熱源的加載及作用區(qū)域與外界的自然對(duì)流換熱，對(duì)稱面采用絕熱邊界條件δη Γ其它面與外界的自然對(duì)流換熱為 =MT-Tjδη Γ其中k為導(dǎo)熱系數(shù)，η為邊界的外法線量，Ii1為表面與外界的對(duì)流換熱系數(shù)，Ta為初始溫度，Γ為物體邊界，方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向；根據(jù)材料熱物性參數(shù)范圍和經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一組材料熱物性參數(shù)和吸收率的初值，加載實(shí)驗(yàn)中上升到熱負(fù)荷溫度的時(shí)間，計(jì)算測(cè)點(diǎn)溫度值； )改變材料熱物性參數(shù)和吸收率中的某項(xiàng)參數(shù)值，其他運(yùn)算條件保持不變，計(jì)算測(cè)點(diǎn)溫度值；與i)中結(jié)果進(jìn)行比較，觀察此項(xiàng)參數(shù)對(duì)溫度的影響規(guī)律；同樣方法，觀察其他參數(shù)對(duì)溫度的影響規(guī)律。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述校正方法，其特征在于，所述步驟幻具體包括選取重復(fù)性好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在模擬計(jì)算中加載此實(shí)驗(yàn)參數(shù)和溫度上升到熱負(fù)荷溫度的時(shí)間，根據(jù)各參數(shù)對(duì)溫度的影響規(guī)律選定一組材料熱物性參數(shù)和吸收率的初值，計(jì)算氣缸蓋或活塞表面測(cè)點(diǎn)的溫度值；根據(jù)模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，結(jié)合材料熱物性參數(shù)和吸收率對(duì)溫度的影響規(guī)律，對(duì)參數(shù)進(jìn)行校正，使得模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述校正方法，其特征在于，所述步驟4)具體包括調(diào)節(jié)離焦量，使得照射到氣缸蓋或活塞表面的光斑能夠完全覆蓋整個(gè)火力面，測(cè)試初始溫度，使初始溫度與之前實(shí)驗(yàn)保持一直；加載較低功率的激光，使得溫度上升到熱負(fù)荷溫度，通過此過程對(duì)表面進(jìn)行預(yù)處理；冷卻到初始溫度后，加載不同激光功率，記錄關(guān)注部位的溫度上升到熱負(fù)荷溫度所需要時(shí)間，做幾組實(shí)驗(yàn)；模擬計(jì)算時(shí)對(duì)整個(gè)火力面進(jìn)行加載，選用實(shí)驗(yàn)參數(shù)，材料熱物性參數(shù)和吸收率選擇已校正結(jié)果，計(jì)算測(cè)點(diǎn)溫度值；與實(shí)驗(yàn)所得溫度值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)材料熱物性參數(shù)和吸收率進(jìn)行微調(diào)，最終確定一組滿足此氣缸蓋或活塞熱負(fù)荷要求的參數(shù)值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于氣缸蓋或活塞激光熱負(fù)荷試驗(yàn)的材料熱物性參數(shù)和吸收率的校正方法，主要將實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算相結(jié)合，通過多次實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算，最終確定一組可用于此氣缸蓋或活塞激光熱負(fù)荷的材料熱物性參數(shù)和吸收率。此方法和規(guī)范具有成本低、效率高、模擬可靠性高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N25/20GK102466650SQ20101053842
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月8日
發(fā)明者何秀麗, 寧偉健, 聶樹真, 虞鋼, 鄭彩云 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所