DEFORM 反传热计算

换热系数是传热过程（包括淬火过程以及加热过程等）数值模拟中的关键参数，所以获取准确的换热系数非常重要。表面换热系数的研究中最常用的方法是反传热法，是利用试验测得材料内部及表面不同位置处温度随时间变化曲线， 通过求解导热微分方程获得综合表面换热系数。 本次案例是利用DEFORM中的反传热模块来求得淬火过程中的换热系数。

在使用反传热之前，需要利用热电偶测得试样淬火过程中不同位置的冷却曲线。本次模拟案例的数据参照的是一篇博士论文中喷水末端淬火的数据[1]。论文中的试样如图1所示，T1，T2，T3处为温度测量处，左端为淬火末端。实验值如图2所示。

图1 淬火试样

图2 实验测得温度

建立的有限元模型为2D的四分之一模型，如图3所示，左边为对称轴，右端为淬火末端，点1，2，3分别对应T3，T2以及T1位置。

图3 有限元模型

首先在前处理中打开2D Inverse Heat模块

进来之后选择对应的单位位SI，选择对称类型，点击next。

这里我们选择create，自己创建几何，然后选择四分之一模型，输入对应的尺寸，并且忽略小孔，点击next。

设置材料的初始温度，按照论文中设置为500摄氏度，淬火环境也就是介质温度设为25摄氏度，点击next。

这里设置测温点的坐标，经过转换，三个测温点的位置坐标如下图所示。设置完之后模型中也会显示，点击next。

紧接着下一步就是导入实验测得的三个点的温度随时间变化的结果。将三个点的温度变化依次粘贴过来。每次设置一个点，可以通过修改Current Point来切换点。当然也可以通过右边的文件夹打开DAT文件一次性直接导入所有的温度。（这里需要说明一下，我是通过Engauge Digitizer这个软件从论文图中取出来的），要是出现警告直接点yes，点击next。

之后再设置传热边界条件，这里只有右端端淬末端发生热交换，其它位置假设为绝热。点击next。

因为我们想得到传热系数随温度的变化情况，所以选择温度。插值算法选择线性就行，B-spline我也试过，结果差别不大。然后想得到5个温度下的传热系数，Control points就设置成5，并且将5个温度值列在右边表中。传热系数的初始值设为5.0保持默认，或者也可以自己大概估一个，优化区间为[1e-17,10]，这个区间也是通过估计计算的传热系数大小来设置。点击next。

保持默认值，点击next。

模拟控制选择auto，每步的温度变化为5摄氏度，10步一存，点击next。

这里设置的是优化停止条件，如果经过计算，结果不是很理想，可以把relative improment less than，Objective function less than和decision vector change less than值调小一点，把maximum iterations和maximum simulations调大一点。直到得到比较理想的结果，我这里都对默认值做了相应的调整，使其不过早收敛，点击next。

下一步点击start就开始优化传热系数了。第一次迭代完成之后可以点击next查看优化结果。

这是计算得到的不同温度下的传热系数

这是三个点实验测得的温度和模拟的温度对比，可以看到误差在可接受范围内的，说明我们得到的传热系数与实际的传热系数非常接近（这里的误差当然也包括了我从图片中取数的误差）。

参考文献

[1]徐戎. 铝合金淬火界面换热系数反分析求解及在仿真中的应用[D].湖南大学,2015.

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