水库天然冰温度场数值模拟
第23卷 第3期
2006年6月
黑龙江大学自然科学学报J OURNAL OF NATURAL SC IENCE O F HE I LONG JI ANG UN IVERS I TY V o l 123N o 13June ,2006
水库天然冰温度场数值模拟
白乙拉1,2, 李志军3, 冯恩民
1(1.大连理工大学应用数学系,辽宁大连116024;2.内蒙古民族大学数学与计算机学院,内蒙古通辽028000;
3.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024)摘 要:根据水库天然冰实测温度数据,建立了识别冰层热扩散率的分布参数系统最优控制
模型.该优化模型采用遗传算法求解,并对模型中的热传导方程采用半隐式差分格式迭代求解.利
用太原汾河二库天然冰温度场数据进行了实际计算.算例表明:数值模拟结果与实测数据吻合良
好,所建立的优化模型及算法是正确、有效的.
关键词:天然冰;数学模型;最优控制;数值模拟
中图分类号:O23114;O232;P33218文献标识码:A 文章编号:1001-7011(2006)03-0331-05
收稿日期:2005-07-05
基金项目:国家自然科学基金重点项目(40233032);国家自然科学基金资助项目(10471014)
作者简介:白乙拉(1961-),男(蒙古族),博士研究生,副教授,主要研究方向:运筹学与控制论,E -m ai :l bayaer w ang @s ohu.co m
1 引 言
我国北方大部分地区的河流、湖泊、水库冬季常形成冰盖或冰塞,冰盖或冰塞的出现使水流从明流成为封闭的暗流,改变了水流的水力条件、热力条件和几何边界条件,并由此可能导致冰冻期或开河期的凌汛等灾害.冰塞变化常剧烈而复杂,其演变涉及水力、热力、几何边界条件和冰的物理性质等因素,因此有关冰盖的生长消融、冰塞的形成等问题的数学模型与数值模拟的研究,一直受到有关学者们的重视,并取得了许多研究成果[1-6].河冰热力学数学模型基本以一维方程为主,模型中的热力学参数大多使用经验性的常数,忽略了诸如热扩散率等热力学参数依赖于温度的变化关系,而河冰的热导率、密度、比热等热力学参数均随温度而变化[7]
.如果将这些热力学参数取为常数,所得结果同所描述的客观世界总有一些差异,而这些差异很容易掩盖计算模型的精度.为更准确的描述天然冰温度场热传导过程,本文根据水库天然冰温度实测数据,首先用分布参数系统最优控制理论,识别天然河冰热扩散率依赖于温度的变化关系,然后再利用识别得到的热扩散率(依赖于温度变化)进行河冰温度场的数值模拟.为此,建立了以热扩散率函数的系数为参量的分布参数系统参数识别与最优控制模型,并采用遗传算法求解该优化模型,对模型中的热传导方程采用半隐式差分格式迭代求解.2 模型的建立
211 数学模型
传统的固体材料温度场热传导方程为:
5(Q #c #T )5t
=à#(K #àT )+q (1)式中c 、Q 和K 分别为物体的比热、密度和热导率,T 为物体的温度,t 为时间,q 为内部热源项.
北方地区大多数水库冬季很少有供水任务,因而水库冰盖底部水流缓慢,对这样基本处于静水条件下天然冰的温度变化,考虑到冰内温度在垂直方向的梯度变化远远大于水平方向上的变化,即热传导主要在垂直方向上进行,因此忽略水平方向上变化后,水库天然冰热力学模型由一维热传导方程描述.取河冰表面一点处为坐标原点O,过原点O 垂直向下的直线为o x 轴,设识别热扩散率所采用冰层的启始点为x 1,终止点为
x 2,记8=[x 1,x 2],时间变量t I I =[0,t f ],0 T (x,t)+q 1T (x ,t) t =0=T 0(x )T (x ,t) x =x 1=T 1(t)T (x ,t)x =x 2 =T 2(t),(x ,t)I 8@I (2)式中A (T )为冰的热扩散率,T 为冰的温度,q 1=q (c Q ) ,t 为时间;初始温度T 0(x )及边界温度T 1(t)、T 2(t)都是已知函数. 由于冰的热扩散率是温度的单调函数,在一定温度范围内随着冰温的降低而增大,从而可将河冰热扩散率随冰温的变化关系用线性函数拟合 [7],即可以设A (T )=a +b T.考虑到冰层热扩散率的实际物理意义,参量a 和b 必有上下界,令W:={(a ,b)|a l [a [a u ,b l [b [b u } 212 最优控制模型 设在8中有m 1个测温点,即x k I 8,k I I m 1:={1,2,,,m 1},有m 2个测温时刻t j I I ,j I I m 2:={1,2,,, m 2},在点(x k ,t j )I 8@I 处实测温度为T m (x k ,t j ),k I I m 1,j I I m 2.对给定参量(a,b )I U ad ,求解系统(2)得到的计算温度为T (x ,t ;a,b )I V ,依实测数据{T m (x k ,t j )|k I I m 1,j I I m 2}拟合得到连续可微的观测函数记为T m (x ,t)I C 1(8@I ,R ).P (a,b )I U ad ,由系统(2)确定的温度T (x ,t ;a,b )与观测温度T m (x,t)的差记为: J (a,b)=Q I Q 8(T (x,t ;a,b )-T m (x,t))2d x d t (3) 这样以J (a,b )为性能指标,识别参量(a,b )I U ad 的最优控制问题记为: DOPT :m in J (a,b )=J (T (x,t ;a,b )) s .t T (x,t ;a,b )I V (a,b)I U a d 由于T I C 2(8@I ,U ad ),所以由系统(2)确定的U a d →L 2(8@I ,U ad ;R )的映射T (x,t ;a,b )关于(a,b )I U ad 连续,而U ad 是R 2中的有界闭集,故V 为L 2(8@I ,U ad ;R )中的紧集.因此最优控制问题DOPT 的最优解(a *,b *)I U ad 存在. 求解最优控制问题DOPT ,就是在给定约束条件下求(a,b)I U ad ,使J (a,b )达到极小的非线性最优化问题,此类问题的求解没有特别简便高效的算法,本文使用遗传算法 [8]求解该问题.求解最优控制问题 DOPT 的主要步骤为:Step 1:设置进化代计数器t ←0;设置最大进化代数T;随机生成M 个个体p i (a,b)作为初始群体P (0).Step 2:对每一个体,利用性能指标函数J (a,b )计算群体P (t)中各个个体的适应度. Step 3:按比例选择算子进行选择. Step 4:依交叉概率p c ,对浮点数编码表示的个体进行算术交叉. Step 5:依变异概率p m 进行变异.群体P (t)经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体P (t +1).Step 6:若t [T,则t ←t +1,转到Step 2;若t >T,则以进化过程中所得到的具有最大适应度的个体作为最优解输出,终止计算. 3 数值解法利用遗传算法求解最优控制问题DOPT 的计算步骤中,在Step 2步计算性能指标函数J (a,b )时,必须#332#黑 龙 江 大 学 自 然 科 学 学 报 第23卷 先求解系统(2),它是非线性抛物方程初边值问题的数值求解问题,其数值解法很多.本文采用C ±????3给出 的半隐式差分格式迭代求解,该格式是无条件稳定的[9]. 将A (T )=a +b T 代入系统(2)的偏微分方程中,则方程转化为: 5T 5t =b 5T 5x 2+(a +b T )52T 5x 2+q 1(4)差分网格划分如下:取空间节点间距为$x,节点x i =$x #i ,i =0,1,2,,N 1将8划分为等距节点,时间节点间距为$t =S ,节点t j =j #S ,j =0,1,2,,N 2.根据半隐式差分格式,可得方程(4)在各节点上的差分方程为:5T 5t j +1/2i =b 5T 5x j +1/2i 2+(a +b T j +1/2i )52 T 5x 2j +1/2 i +q 1, i =0,1,,N 1,j =0,1,,N 2(5)下面给出方程(5)的具体差分格式,将其各项的具体表达式依半隐式差分格式要求分两种情况代入(5),并忽略其截断误差得: 第一种情形:j =1,3,5,,N 2-1,i =1,2,,N 1-1(采用向后差分) T j +1i =[S b (T j i -T j +1i -1)2+S (a +b T j i )(T j i +1-T j i +T j +1i -1)+$x 2T j i +S$x 2q 1]/($x 2+S (a +b T j i ))(6)第二种情形:j =2,4,6,,N 2-2,i =N 1-1,N 1-2,,,1(采用向前差分)T j +1 i =[S b(T j +1 i +1-T j i )2+S (a +b T j i )(T j +1i +1-T j i +T j i -1)+$x 2T j i +S$x 2q 1]/($x 2+S (a +b T j i ))(7)(6)、(7)式中的未知量T j +1i -1、T j +1i +1由边界值或前次迭代结果给出,因而避免了解代数方程组,具有显式差分格 式的优点. 4 数值算例与分析 2004年1月22日13:45~2月5日09:15,在山西太原汾河二库无阳光直射的背阴处测试水库天然冰温度垂直分布变化过程.冰面上150c m 处有一气温测试点,从冰面到冰面下55c m 范围内,每隔5c m 有一个测温点,在冰面下100c m 、150c m 处的河水中也各有一个测温点,现场每15m i n 自动采集该温度链数据一次.一般情况下,河冰表面温度受到太阳辐射影响,冰冻结锋面的生消受冰底河水温度控制.但本文中实测水库天然冰温度时,选择无阳光直射的背阴处.另外,当识别热扩散率所需要的温度剖面数据取自观测冰层内部时,不包括冰-水冻结锋面附近的相变段,这时识别热扩散率的冰层范围内无相变发生,所以本文取热传导方程中的热源项q 1=0. 以2004年1月23日0点至1月31日24点冰面下5~45c m 无相变冰层的实测温度资料,作为识别热扩散率的数据.23日0点各观测点的实测温度经线性插值得到各节点的初始温度,以x 1=5c m 及x 2=45c m 处各时刻的实测温度,经插值得到的各时间节点的温度数据作为边界条件,进行热扩散率的识别计算.实际计算时,空间网格节点间距$x =015c m ,时间网格节点间距$t =S =10s . 用遗传算法求解最优控制模型时,依据前人给出的河冰热扩散率结果 [7],给出参量a 、b 的大致范围,即确定集合W:={(a,b )|a l [a [a u ,b l [b [b u }中的a l 、a u 和b l 、b u ,本文取a I [0,1510],b I [-310,0],其中a 的系数为10-7,b 的系数为10-8;最大进化代数T =1000,总群个数M =80,交叉概率p c =0175,变异概率 p m =0108;性能指标函数(3)的计算公式可近似为: J (a,b )=J (T,a,b)=E k I I m 1E j I I m 2|T (x k ,t j ;a,b)-T m (x k ,t j )|2(8) 通过遗传算法求解最优控制问题DOPT,识别得到冰层热扩散率后,对水库天然冰温度场整个测试阶段(2004年1月23日00:00~2月4日24:00)进行了数值模拟,数值模拟结果与实测数据的对比分两种情况,一是给出某些具有代表性时刻的冰层垂直剖面温度的对比,另一种情况是给出水库天然冰表层、中间层以及底层数值模拟和实测温度随时间变化的对比曲线.由冰层实测数据可知,大部分天气都是在每天8点、16点左右冰层温度处于最低和最高状态,因此给出该时刻的数值模拟结果和冰层垂直剖面实测温度的对比情况,具有较好的代表性,因篇幅所限,只给出每隔三天取一组数据的对比情况,其中图1、图2分别是1月23日、26日与1月29日、2月1日8点及16点数值模拟结果和冰层垂直剖面温度实测数据的对比曲线.图3是冰层在x =10c m 、x =20c m 、x =40c m 处模拟和实测温度随时间变化过程.图中实线表示实测温度,虚线表示模拟温度. #333#第3期白乙拉等:水库天然冰温度场数值模拟 为了更直观的反映水库冰层垂直剖面各点温度随时 间变化历程,用三维图形表示冰层垂直剖面各点温度随时 间变化过程.图4是冰层垂直剖面模拟温度随时间变化的 三维彩色曲面,由图3、图4可以看出,天然冰表层温度随 气温变化明显呈周期性波动,且振幅较大,说明它受气温 影响显著. 本文数值模拟得到的水库天然冰温度场变化过程同 实测温度吻合良好,模拟结果与实测数据的平均相对误差 不超过2157%,符合实际需求. 5 结 论 数值结果表明,本文所建立的基于识别天然冰热扩散 率(依赖于温度变化)的分布参数系统最优控制模型及其 求解算法,对无显著相变发生的天然冰温度场的数值模拟 是准确、有效的.在一定温度范围内,天然河冰的热扩散率可以拟合为冰温的线性函数. #334#黑 龙 江 大 学 自 然 科 学 学 报 第23卷 参考文献: [1] BELTAOS S.Num eri cal co m putati on of river i ce ja m s[J].C anad i an J ou rnal of C i v ilE ngi neeri ng ,1993,20(2):88-98. 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Nu m erical si m ulation of te mperature fiel ds for reservoi r natural i ce BA I Y i-la 1,2, LI Zh i-jun 3, FENG En-m in 1 (1.D epart m en t ofApp li ed M at he m ati cs ,Dalian Un i versity ofTec hno l ogy ,Dali an 116024,Ch i na ;2.C ollege ofM at h e mati cs and Co m puter ,Inn erM on -go li a Un i vers i ty f or Nati onaliti es ,Tong li ao 028000,Ch i na ;3.S tat e K ey Laboratory of Coastal and O ffs hore E ngi neeri ng ,Dalian Un ivers i ty of Technolo -gy ,Dalian 116024,Ch i na) Abst ract :Based on t h e actual te m perature data of natural ice o f reservo ir ,an opti m a l contro lm ode l abou t distributed para m eter syste m w h i c h can iden tify the ice .s ther m a ld iffusiv ity is established ,and thism ode l is solved by genetic algorithm s .The heat conducti o n equation o f th ism ode l is solved by half i m plicit d ifference sche m e iteration .Fur -ther m ore ,the practical calcu lati o ns are processed by the te mperature da ta o f natural ice in second reservo ir o f Taiyuan fen-river .The results sho w that si m ulation results are co rrespond i n g w ith m easured data .H ence ,the op -ti m al contro lm odel and algorith m what estab lished are ex act and effective . K ey w ords ::natural ice ;m athe m aticalm ode;l opti m al contro;l nu m er i c al si m ulation (上接第330页) 线性随机微分延迟方程复合Euler 方法的均方收敛性 周立群1,2 (1.哈尔滨工业大学控制工程与科学系,黑龙江哈尔滨150001; 2.齐齐哈尔大学数学系,黑龙江齐齐哈尔161006) 摘 要:定义了复合Eu ler 方法,把其应用到线性随机微分延迟方程上.详细地研究了复合Eu ler 方法的均方收敛性,证明其收敛阶是强015阶,并给出数值试验. 关键词:随机微分延迟方程;复合Euler 方法;均方收敛性;数值解#335#第3期白乙拉等:水库天然冰温度场数值模拟 传热大作业 二维导热物体温度场的数值模拟（等温边界条件） 姓名： 班级： 学号： 墙角稳态导热数值模拟（等温条件） 一、物理问题 有一个用砖砌成的长方形截面的冷空气空道，其截面尺寸如下图所示，假设在垂直于纸面方向上冷空气及砖墙的温度变化很小，可以近似地予以忽略。在下列两种情况下试计算： （1）砖墙横截面上的温度分布； （2）垂直于纸面方向的每米长度上通过砖墙的导热量。外矩形长为，宽为；内矩形长为，宽为。 第一种情况：内外壁分别均匀地维持在0℃及30℃； 第二种情况：内外表面均为第三类边界条件，且已知： 外壁：30℃，h1=10W/m2·℃, 内壁：10℃，h2= 4 W/m2·℃ 砖墙的导热系数λ= W/m·℃ 由于对称性，仅研究1/4部分即可。 二、数学描写 对于二维稳态导热问题，描写物体温度分布的微分方程为拉普拉斯方程 02222=??+??y t x t 这是描写实验情景的控制方程。 三、方程离散 用一系列与坐标轴平行的网格线把求解区域划分成许多子区域，以网格线的交点作为确定温度值的空间位置，即节点。每一个节点都可以看成是以它为中心的一个小区域的代表。由于对称性，仅研究1/4部分即可。依照实验时得点划分网格： 建立节点物理量的代数方程 对于内部节点，由?x=?y ，有 )(411,1,,1,1,-+-++++=n m n m n m n m n m t t t t t 由于本实验为恒壁温，不涉及对流，故内角点，边界点代数方程与该式相同。 设立迭代初场，求解代数方程组。图中，除边界上各节点温度为已知且不变外，其余各节点均需建立类似3中的离散方程，构成一个封闭的代数方程组。以C t 000 为场的初始温度，代入方程组迭代，直至相邻两次内外传热值之差小于，认为已达到迭代收敛。 四、编程及结果 1) 源程序 #include <> #include <> int main() { int k=0,n=0; double t[16][12]={0},s[16][12]={0}; double epsilon=; double lambda=,error=0; double daore_in=0,daore_out=0,daore=0; FILE *fp; fp=fopen("data3","w"); for (int i=0;i<=15;i++) for (int j=0;j<=11;j++) { if ((i==0) || (j==0)) s[i][j]=30; if (i==5) if (j>=5 && j<=11) s[i][j]=0; if (j==5) if (i>=5 && i<=15) s[i][j]=0; } for (int i=0;i<=15;i++) 1 概述 1.1 飞机的防冰系统与除冰方法 飞机的结冰问题严重危害飞机的安全性。飞机表面出现冰，阻碍了空气的流动，增大了摩擦力并减小升力，尤其是机翼上的冰对飞机起飞影响很大。积聚在飞机尾翼上的冰可扰乱飞机的平衡，迫使飞机向下倾斜，这种现象称为尾翼失速。这时，飞机的防冰系统起到了很重要的作用。 通常，飞机上除冰的方法有两种，一种是“渗透机翼”液体除冰系统，一种是膨胀橡胶气囊，称为气体罩，气体罩沿着机翼安装。但这两种方法都存在缺点，如液体除冰系统效率有限，气体罩增加了飞机重量和功耗。在格林研究中心开展联合研究，采用可膨胀的石墨箔加热单元技术有效替代通常的除冰方法。这种超薄石墨覆盖在飞机表面，并不会太多增加飞机重量，且能够快速融化冰。这种安全的设备目前已向整个航空界推广。 1.2 飞机表面结冰现象、结冰形式以及影响因素 高空飞行飞机的迎风表面通常会伴随三种不同形式的结冰现象，即“水滴积冰”, “干结冰”和“升华结冰”。在大气对流层下半部的云雾中，常常存在大量温度低于冰点而仍未冻结的液态水滴．即“过冷水滴”。“水滴积冰”指的是飞机部件表面的平衡温度低于冰点，过冷水滴撞击并积聚冻结于部件前缘表面而发生的积冰现象。水滴积冰严重时常常会飞机的气动外形、危害飞机的飞行安全，因此，是飞机防冰与除冰技术的主要研究对象。“干结冰”指的是飞机在含有大量冰晶或有雨夹雪的云中飞行时．因气动力加热或飞机防冰设备工作等原因使部件迎风表面温度高于冰点，冰晶沉积融化、然后再冻结成冰的现象。飞机干结冰现象很少遇到，一般无危险，但发动机进气道拐弯处和进气部件表面发生的干结冰现象，积聚的冰晶进人发动机后，会损坏压气机叶片或使发动机熄火，具有一定的危害性。“升华结冰”指的是飞机由冷区飞入暖区，机体表面温度低于周围气温达到结霜温度时．空气中水汽在飞机表面凝华成冰的现象。升华结冰．只要飞机表面温度与周围气温平衡时，冰层便能很快地被融化消失，故不存在危险。因此，“水滴积冰”成为本文讨论的主要内容。 影响水滴积冰的形成及其严重程度的因素很多，包括气象条件、飞机部件外形及飞行状态等诸多因素。一般来说，在液态水含量较大的过冷云中飞行时，容易发生积冰；大气温度约为0 ～-15℃时，发生积冰的概率最大；水滴直径大于20微米时，积冰会威胁飞行安全；飞行速度越大，由干过冷水滴撞击数增加使积冰量加大；但飞行速度超过冰极限飞行速度时，又会因气动力加热使部件表 ATA30 防冰防雨系统 在飞行中，飞机会遇到各种复杂气象条件，可能会引起某些部位结冰，结冰一方面会改变飞机的空气动力性能，另一方面会影响某些系统的正常工作，从而危及飞行安全。为此飞机上设置了防冰系统，同时为保证飞机在雨天飞行时，能使驾驶员的视线不受影响，设置了防雨系统。 一、系统介绍 A318/A319/A320/A321飞机防冰防雨系统在结冰条件下或大雨天气下，都可以使用。防冰使用热气防冰和电防冰。热气防冰部位有：大翼前缘、发动机进气道前缘；电防冰部位有：风挡玻璃、各种探头、排水口。 1、热气防冰 见图30-1，大翼前缘由引气系统供气经大翼防冰活门控制向大翼外侧三个缝翼提供加温热空气。 图30-1 见图30-2，发动机进气道前缘由一个独立的引气管路从发动机高压压气机引气，进行防冰。 图30-2 2、电防冰 见图30-3、图30-4、图30-5、图30-6、图30-7、图30-8，飞机电防冰部位有：风挡玻璃、各种探头、排水口。探头包括：迎角探测器（AOA）、空速管、静压孔、全空温探头。 图30-3 图30-4 3、结冰探测 飞机结冰探测系统有两个分离的探头，位于机头下部，是选装项目。见图30-9，另外在左右风挡之间装有一个目视探头，用于机组目视观测是否结冰。 二、ECAM页面指示 见图30-10，在发动机警告页面的记忆区有防冰操作的相应记录。在ECAM引气页面有三角符号指示大翼防冰在工作。 三、防冰控制面板 见图30-11，防冰控制面板位于头顶板。 1、大翼防冰控制电门 图30-5 图30-6 图30-7 图30-8 图30-9 2、发动机防冰控制电门 3、探头/风挡玻璃防冰控制电门 见图30-12，防雨控制面板也位于头顶板。 1、防雨液喷射按钮 2、雨刷控制旋钮：有三个工作状态：快、慢、不工作。 注：雨刷只能在200节速度以下使用，防雨液可用水冲洗。 温度场模拟matlab代码： clear,clc,clf L1=8;L2=8;N=9;M=9;% 边长为8cm的正方形划分为8*8的格子 T0=500;Tw=100; % 初始和稳态温度 a=0.05; % 导温系数 tmax=600;dt=0.2; % 时间限10min和时间步长0.2s dx=L1/(M-1);dy=L2/(N-1); M1=a*dt/(dx^2);M2=a*dt/(dy^2); T=T0*ones(M,N); T1=T0*ones(M,N); t=0;l=0;k=0; Tc=zeros(1,600);% 中心点温度，每一秒采集一个点 for i=1:9 for j=1:9 if(i==1|i==9|j==1|j==9) T(i,j)=Tw;% 边界点温度为100℃ else T(i,j)=T0; end end end if(2*M1+2*M2<=1) % 判断是否满足稳定性条件 while(t end i=1:9;j=1:9; [x,y]=meshgrid(i); figure(1); subplot(1,2,1); mesh(x,y,T(i,j))% 画出10min 后的温度场 axis tight; xlabel('x','FontSize',14);ylabel('y','FontSize',14);zlabel('T/℃','FontSize',14) title('1min 后二维温度场模拟图','FontSize',18) subplot(1,2,2); [C,H]=contour(x,y,T(i,j)); clabel(C,H);axis square; xlabel('x','FontSize',14);ylabel('y','FontSize',14); title('1min 后模拟等温线图','FontSize',18) figure(2); xx=1:600; plot(xx,Tc,'k-','linewidth',2) xlabel('时间/s','FontSize',14);ylabel('温度/℃','FontSize',14);title('中心点的冷却曲线','FontSize',18) else disp('Error!') % 如果不满足稳定性条件，显示“Error ！” end 实验结果： 时间/s 温度/℃ 中心点的冷却曲线 输电线路防冰除冰技术综述 一、除冰技术 目前国内外除冰方法有30余种，大致可分为热力除冰法、机械除冰法、被动除冰法和其他除冰法四类。 热力除冰方法利用附加热源或导线自身发热，使冰雪在导线上无法积覆，或是使已经积覆的冰雪熔化。目前应用较多的是低居里铁磁材料，这种材料在温度 使导线上的覆冰融化。 根据短路电流大小来选取合适的短路电压是短路融冰的重要环节。对融冰线路施加融冰电流有两种方法：即发电机零起升压和全电压冲击合闸。零起升压对系统影响不是很大，但冲击合闸在系统电压较低、无功备用不足时有可能造成系统稳定破坏事故。短路融冰时需将包括融冰线路在内的所有融冰回路中架空输电线停下来，对于大截面、双分裂导线因无法选取融冰电源而难以做到，对500 kV线路而言则几乎不可能。 （2）工程应用中针对输电线路最方便、有效、适用的除冰方法有增大线路传输负荷电流。相同气候条件下，重负载线路覆冰较轻或不覆冰，轻载线路覆冰较重，而避雷线与架空地线相对于导线覆冰更多，这一现象与导线通过电流时的焦耳效应有关，当负荷电流足够大时，导线自身的温度超过冰点，则落在导体表明的雨雪就不会结冰。 为防止导线覆冰，对220 kV及以上轻载线路，主要依靠科学的调度，提前改变电网潮流分配，使线路电流达到临界电流以上；110 kV及以下变电所间的联络线，可通过调度让其带负荷运行，并达临界电流以上；其它类型的重要轻载线路，可采用在线路末端变电所母线上装设足够容量的并联电容器或电抗器以增大无功电流的办法，达到导线不覆冰的目的。 提升负荷电流防止覆冰优点为无需中断供电提高电网可靠性，避免非典型运行方式，简便易行；不足为避雷线和架空地线上的覆冰无法预防。 （3）AREVA输配电2005年在加拿大魁北克省的国有电力公司Hydro—Quebec建设世界首个以高压直流(HVDC)技术为基础的防覆冰电力质量系统。这个系统将覆盖约600km输电线，预计能于2006年秋天投入运行。 2002年MSC.Software中国用户论文集 汽车轮胎二维稳态温度场的数值分析 李杰魏建华赵旗 (吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室) 摘要: 通过对滚动轮胎进行合理假设，在MSC.Patran系统中建立了国产9.00-2012PR尼龙斜交轮胎二维稳态温度场有限元分析模型，用MSC.Nastran热分析求解器计算了轮胎的温度场分布，计算结果反映了轮胎的温度分布。通过拟合得到最高温升与车速的基本线性关系，该公式可以用来简单预测轮胎不同车速稳态的最高稳升，对轮胎结构设计与使用有一定的指导意义。 关键词:轮胎斜交轮胎有限元温度场 MSC.Patran 1 前言 对轮胎生热及其温度场的研究有试验法和数值计算法[1-3]。试验法是通过试验直接测量轮胎温度场的分布，这种方法有一定的局限性。随着有限元技术和计算机技术的发展，越来越多的研究者采用数值计算法获得轮胎温度场的分布，以便在设计之初就能优化轮胎结构和进行配方设计，提高轮胎的使用寿命。 本文应用MSC.Patran系统对汽车轮胎二维稳态温度场进行数值分析，通过计算得到轮胎达到生热与散热平衡时的温度场，以便为轮胎寿命预测提供依据。 2 汽车轮胎二维稳态温度场的有限元建模 *高等学校博士学科点专项科研基金及高等学校骨干教师资助计划资助项目 2.1 汽车轮胎二维稳态温度场的基本假设 汽车轮胎温度场分析是一个非常复杂的课题，为了简化计算，对轮胎温度场模型提出如下假设： （1）轮胎形状是轴对称，不计花纹的影响。 （2）轮胎滚动过程中，其周向方向不存在温度梯度，任一微元体从地面所吸收的功，被均匀分配到整个圆周上，即周向无温 度梯度假设。 （3）轮胎在定载和定压状态下工作，由橡胶组成，且材料为各向同性。 （4）轮胎在连续行驶一段时间后，达到热平衡状态，可看作稳态热传导问题。 （5）忽略接触摩擦生热和辐射换热。 根据上述假设，可将汽车轮胎温度场分析问题简化为通过对称轴的一个子午线平面来计算模拟轮胎内部温度分布的二维平面问题。 2.2 MSC.Nastran的热分析功能 MSC.Patran系统中链接的求解器MSC.Nastran具有较强的传热分析能力，提供了一维、二维、三维、轴对称等传热分析单元，可求解各种形式的传热问题：传导、对流和辐射，可以进行稳态或瞬态传热分析，线性和非线性传热分析。它提供的材料热属性有：导热率，比热，密度，热容等，对于线性稳态热分析，用到只是导热率。 金属凝固过程计算机模拟题目：二维导热物体温度场的数值模拟 Solidworks十字接头的传热分析 作者：张杰 学号：S2******* 学院：北京有色金属研究总院 专业：材料科学与工程 成绩： 2015 年12 月 二维导热物体温度场的数值模拟 图1 二维均质物体的网格划分 用有限差分法模拟二维导热物体的温度场，首先将二维物体划分为如图1所示的网格，x ?与y ?可以是不变的常量,即等步长,也可以是变量(即在区域内的不同处是不同的),即变步长?如果区域内各点处的温度梯度相差很大,则在温度变化剧烈处,网格布得密些,在温度变化不剧烈处,网格布得疏些?至于网格多少,步长取多少为宜,要根据计算精度与计算工作量等因素而定? 在有限的区域内,将二维不稳定导热方程式应用于节点 ,)i j （可写成: ,2222 ,i j P P p i j T T T C x y ρλτ?????=+ ?????? ,1 , ,()i j P P P i j i j T T T οτττ+-???= +? ????? () , 1 , , 1 ,22 2()i j P P P P i j i j i j T T T T x x x ο+--+??? =+? ????? () , ,1 , ,122 2()i j P P P P i j i j i j T T T T y y y ο+--+???=+? ?????τ?、x ?、y ? 当τ?、x ?、y ?较小时，忽略()οτ?、2()x ο?、2 ()y ο?项。当x y ?=?时， 即x 、y 方向网格划分步长相等?最后得到节点 ,)i j （的差分方程: ()1 , ,0 1 , 1 , ,1 ,1 ,4P P P P P P P i j i j i j i j i j i j i j T T F T T T T T ++-+-=++++- 式中:() 02 p F C x λτ ρ?= ?? 南航除冰防冰复训试题 单位姓名成绩 一．判断题（每题5分） 1. 在气温非常低的地区，如热溶液除冰无效时，可以采用人工方法除冰，如：高压 气体、热气、雪刷、扫帚、橡皮刮板和绳子。﹙对﹚ 2. 在发动机工作的情况下进行除冰/防冰，必须建立并保持与机组的通讯联系并严格 执行除冰/防冰过程中的安全注意事项。﹙对﹚ 3.“Ⅱ型防冰液75/25”表示25%容积的Ⅱ型防冰液与75%的水混合溶液；﹙错﹚4．选择使用的除冰/防冰液应当是符合飞机制造厂家指定的产品或经CAAC批准的等效替代产品。﹙对﹚ 5．Type I相对于Type II, Type III和Type IV液体具有更长的保持时间﹙错﹚6．不要把液体流直接对向飞机表面，要形成一个斜的角度以防损坏飞机表面。﹙对﹚7．推荐用高压喷射压力来喷射，这样将使冰雪最快速融化。﹙对﹚ 8．在寒冷天气下如果加油后飞机又停放了两个小时以上，那么放行之前要再次放沉淀以防止燃油结冰。﹙对﹚ 9．如果持续降水，推荐进行一步除冰/防冰程序。﹙对﹚ 10.除冰/防冰液是危险的，不要沾到皮肤或眼睛里，穿上防护服。﹙对﹚ 二．选择题（每题5分） 1.如判断条件不明确，需要与机长、飞行签派员共同协商，由 A 最终确定飞机 是否存在冰冻污染物，并决定是否进行除冰/防冰工作。 A．机长 B．航线车间主管 C．外站机务负责人 D．飞行签派员 2.委托协议单位对南航飞机进行除冰/防冰工作，则不正确的描述是 C A．通常情况下，协议单位应使用南航除冰/防冰工作单进行工作。 B．使用协议单位的工作单，必须经南航机务人员对其适用性进行确认后。 C．南航外站机务负责人/跟机机务人员自己除冰/防冰。 D．按有关协议进行。 3.除冰/防冰工作完成后，描述不正确的是 D A．飞机放行人员向机长通报使用的除冰/防冰液的类型、浓缩比例和最终使用液体的开始时间（当地时间）。由机组最终确定保持时间。 B．每次完成地面除冰/防冰后，地面除冰/防冰人员应当将信息记录到除冰/防冰工作单中。 C．在飞机技术记录本（TLB）上记录防冰代码和保持时间。 D．起飞前5分钟内进行检查，如发现机翼、操纵面及其它关键表面只有少许冰、雪、霜附着，可以让飞机正常出岗。 4．关于对飞机进行除冰/防冰工作，描述不正确的是 B A. 不要直接对着皮托管进口、TAT探测管或静压孔喷射除冰/防冰液。 B. 要直接对着冰冷的窗户喷射热除冰液或热水。 C. 不要直接对着发动机、APU、进气口、通气口、余油口等喷射除冰/防冰液。 飞机的防冰防雨系统 摘要 本论文主要对飞机的防冰防雨系统进行分析。从飞机的结冰现象展开来阐述结冰探测器的种类及工作原理、飞机防冰防雨系统的工作原理热气防冰,电热防冰,化学溶液防冰,机械防冰以及防雨装置和应用以及风挡的防冰、排雨及控制中的问题,最后对防冰防雨系统的部分故障进行分析。 关键字:热气防冰电热防冰化学溶液防冰机械防冰以及防雨装置 ABSTRACT This paper mainly explains the ice and rain protection system of the airplane.From the aircraft icing phenomenon to explain the types of ice and working principle of the detector、working principle and application of the aircraft ice and rain protection system hot air anti-icing、electric anti-icing、chemical solution anti-icing,mechanical anti-icing and rain-resistant device and the problem of windshield anti-ice,behind the rain.Then finally analysis the part faults of the ice and rain protection system Key words:hot air anti-icing、electric anti-icing、chemical solution anti-icing、mechanical anti-icing and water-resistant device 目录 编号：SM-ZD-44107 井筒防冰除冰措施 Through the process agreement to achieve a unified action policy for different people, so as to coordinate action, reduce blindness, and make the work orderly. 编制：____________________ 审核：____________________ 批准：____________________ 本文档下载后可任意修改 井筒防冰除冰措施 简介：该方案资料适用于公司或组织通过合理化地制定计划，达成上下级或不同的人员之间形成统一的行动方针，明确执行目标，工作内容，执行方式，执行进度，从而使整体计划目标统一，行动协调，过程有条不紊。文档可直接下载或修改，使用时请详细阅读内容。 为了搞好冬季“四防”工作，保证冬季矿井提升系统安全运行，杜绝提升系统安全事故的发生，实现矿井正常通风和人员物料的安全提升，特制订以下措施。 一、作业地点：副井井筒 二、作业单位：机电队 三、施工时间：20xx年11月15日-- 20xx年3月15 日 四、施工负责人：XXX 五、现场负责人：XXX 六、措施编制人：XXX 七、施工内容：井筒防结冰及除冰作业 八、防结冰安全技术措施： 1、副井井口安装的暖气片、供热管道、阀门等提前进行检修，必须确保完好畅通，室外管路加装保温材料，锅炉房 保证全天不间断供暖。 2、副井口信号把钩工要严格执行交接班和岗位上各项规章制度，认真搞好文明生产，井口使用拖把清扫积尘，严禁冲刷洒水，并及时处理罐笼及井口房内的积水，采取有效措施，防止结冰或坠冰伤人。 3、锅炉房要积极配合工作，当温度低于5℃时，要及时加强供暖，确保副井供暖设施正常运行。 4、值班人员要及时关注天气变化情况，发现天气变化异常时，要及时通知井口和锅炉房，并认真做好记录。 5、每班对矿井提升系统防冻供暖设施进行全面检查，保证供暖设施完好，如发现结冰现象及时处理，排除提升系统存在的隐患，保证提升系统安全可靠运行。 九、井筒除冰作业安全技术措施： 1、施工前，由现场负责人把安全注意事项贯彻到每位职工，责任落实到人，要求每位职工听从指挥，自觉做到自主保安。 2、施工前，要准备好除冰工具（2磅锤、1m钎子、2m 竹竿、自制网兜及料桶）及安全带、防滑鞋等防护用品，施 长沙航空职业技术学院毕业设计（论文） 毕业论文（设计） 民航飞机的防冰排雨系统及维护方案 二Ο一五年四月十七日 诚信声明 本人郑重声明：所呈交的大专毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果。尽我所知，除了设计（论文）中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文（设计）作者签名：xx 2015年04 月17日 民航飞机的防冰排雨系统及维护方案 摘要： 目前，随着全球经济的发展，航空业也在迅猛的发展。随着人流量的流动，飞机的安全一直是人们最关注的问题。本文主要叙述了民航飞机的防冰排雨系统。从飞机的结冰现象、条件展开来阐述结冰会对飞机的哪些主要部件造成影响并带来严重后果；结冰探测器的种类及工作原理、以及风挡玻璃的防冰排雨及控制中的问题，飞机防冰排雨系统的工作原理（热气防冰，电热防冰，化学溶液防冰，机械防冰以及地面除水、防雨装置)的应用。最后对防冰排雨系统提出维护方案。 关键词：热气防冰；电热防冰；化学溶液防冰；机械防冰以及防雨装置 目录 诚信声明 (2) 摘要 (3) 目录 (4) 绪论 (7) 第一章飞机的结冰现象 (9) 1.1结冰的条件和类型 (9) 1.1.1 结冰条件 (9) 1.1.2结冰类型 (9) 1.2云的形成和分类 (9) 1.2.1 云的形成 (9) 1.2.2 云的分类 (9) 1.3飞机结冰的主要气象参数 (9) 1.4结冰强度和结冰厚度 (9) 1.5飞机结冰对飞行性能的影响 (10) 1.6机翼及尾翼结冰的影响 (10) 1.7发动机进气部件结冰影响 (10) 1.7.1发动机进气部件结冰 (10) 1.7.2 螺旋桨结冰 (10) 基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟 基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟 摘要:计算了不同激光功率条件下粉末颗粒到达基底前的温升，并以粉末颗粒到达基底前的温度为初始条件。用生死单元法研究了单通道和多通道激光熔覆温度场。利用熔池的大小和形态，验证了模型的可靠性。结果表明，粉末颗粒的温升与激光功率呈线性关系。单个包层的温度变化是锯齿状的。温升过程近似为直线，温降曲线近似为双曲线。在多通道熔覆过程中，温度场呈微椭圆形。节点上的热循环经过一个逐渐增加的峰值。峰值温度最终趋于稳定。0系列 激光熔覆根据送粉工艺不同可分为两种类型，即粉末预置法和同步送粉法。本发明具有易于自动控制、激光能量吸收率高、无内部气孔的优点。特别是对于覆层金属陶瓷，覆层的抗裂性可以显著提高，并且硬质陶瓷相可以均匀地分布在覆层中。有广阔的应用空间。国内学者利用ANSYS [1-4对激光熔覆过程的温度场和应力场进行了大量的研究工作。目前，利用ANSYS模拟激光熔覆温度场的研究没有考虑激光束与粉末的相互作用。事实上，激光束首先作用于粉末。除了损失的能量，部分激光束被包覆粉末吸收。另一部分通过粉末被基质吸收。除了直接吸收激光束能量，基质还吸收从粉末转移到基质的能量。因此，有必要在仿真前弄清激光能量的分布，使所建立的模型更接近实际，仿真结果更有说服力。本文将粉末在到达基体前吸收能量后的温升作为初始温度场加载到基体上。同时，利用有限元分析软件 ANSYS中的生死单元技术模拟了熔覆单元的生长过程。高斯体热源加载基体吸收的能量，模拟送粉激光熔覆的温度场分布。在此基础上，模拟了多道次激光熔覆的温度场，研究了多道次激光熔覆的温度场。当屏蔽激光时， 1粉末到达基体前的温度为 粉末。它还吸收部分激光能量，从而提高其温度。事实上，粒子直接吸收激光辐射能量并发射辐射能量，而不考虑等离子体的影响(能量密度低于105W /cm2)。在空气中，粉末颗粒也因空气对流而耗散能量，并且颗粒也相互加热。这些能量在总能量中的比例非常小。目前，关于粉体颗粒温升的模型很少。此外，有必要在模型[5]中建立假设条件。为了便于计算，模型中假设: (1)气体-粉末射流中粉末颗粒的体积分数很低，并且受到激光反射、折射、颗粒离子间相互加热和束屏蔽等的影响。可以忽略。(2)粉末颗粒是半径为rP的球体。由于粉末颗粒足够小，它们被认为是能量计算中的一个点。颗粒的导热性是无限的，即粉末颗粒的温度被认为是均匀的，并且在光接收表面和背光表面之间没有差异。(3)粉末颗粒仅吸收光接收表面上的能量，但是外部辐射发生在整个球体的表面上。(4)粉末不吸收来自基质的光反射。基于上述假设，粉末颗粒的温升可以根据颗粒的能量方程来计算。这个方程是一个非线性方程。利用Matlab软件，采用迭代法求解方程。当激光功率P=2 kW时，方程的解在1500 ~ 1600k范围内，因此初始值被设置为t = 1500k，并且通过迭代发现方程的一个实根是t = 1570k。改变激光功率，获得了当 飞机起飞前的除冰/防冰 1，航前预除冰/防冰 在机组未到达之前，结合航前维护及机型地面除冰/防冰检查单完成飞机外部检查，根据生产技术分部MCC指令按需完成预除冰/防冰工作，在机组到达后将检查结果和除防冰情况通报机长。 2，对称除冰 除冰操作人员有责任确保飞机两侧已对称除冰并完成表面冰层的清除，即使是只在机身的一侧有污染物，机身的两侧也必须进行相同的处理（相同区域、相同喷洒量、相同液体型号和相同配比） 3，飞前确认 飞机起飞前，无论是否超出预除冰/防冰工作的保持时间，都应完成起飞前5分钟内污染物的检查工作（必要时采用手触摸的方法），并将检查结果报告机组确认，由机组或放行人员将检查结果写入飞机技术记录本（签署内容举例：完成起飞前污染物检查，确认飞机清洁。报告人：XXX）。 3.1触摸检查：是指在飞机外部检查中用手触摸以确认机翼前缘有无冰冻污染物的检查。 3.2起飞前检查：对飞机进行除/防冰工作后，在预计的保持时间内起飞应当完成的检查，以确认飞机典型表面的实际状况是否与预计的保持状态时间一致，此检查通常由飞行机组在机舱内进行。 3.3起飞前污染物检查：对飞机进行除防冰工作后，如超过了预计的保持时间，在起飞前5分钟内应当完成的起飞前污染物检查，确认飞机机翼、舵面等关键表面没有影响飞机起飞性能的污染物存在。此项检查通常由有资格的人员在机舱外进行。 3.4污染物：污染物是指附着在飞机关键表面上的结冰或半冻状态的湿气。例如：霜、冰、雪或半融雪。 4，二次除冰 若需要再次进行除冰/防冰工作的，在完成地面除冰/防冰工作后，通知机组完成飞机技术记录本的填写。 5，关于大翼下表面允许有霜的条件： 由于浸冷效应，大翼下表面燃油箱区域允许有不超过3mm的霜冻厚度。 除防冰大纲要求：在机翼下表面燃油箱区域，由于冷浸透燃油而造成的霜冻厚度仅允许低于3mm(1/8英寸)。 5.1浸冷效应(Cold-soak effect)：经过高空飞行后刚着陆或刚添加了非常冷的燃油，使飞机中载有非常冷的燃油，则这时的飞机机翼称为“被浸冷的机翼”。在地面上，无论什么时候如果降雨落在被浸冷的飞机上，都可能产生透明冰。即使环境温度在–2°C到+15°C之间，如果飞机结构保持在0°C 或以下，在可见潮湿或湿度较高时，仍可能结冰或结霜。 透明冰是非常难以通过目视检查发现的并可能在起飞期间或之后破裂。 下列因素有助于浸冷的产生：温度及各油箱中燃油的数量、各油箱的类型及位置、在高空飞行的时间、所添加燃油的温度及加油后的时间。 5.2地面结冰条件：一般情况下地面结冰是指外界大气温度在5°C以下，存在可见的潮气（如雨、雪、雨夹雪、冰晶、有雾且能见度低于1.5公里等）或者在跑道上出现积水、雪水、冰或雪的气象条件;或者外界大气温度在10°C以下，外界温度达到或者低于露点的气象条件。 此项与浸冷条件交叉的地方在于环境温度，即：-2°C至+5°C之间既符合结冰条件所指的温度也符合浸冷条件的温度。2013-2-28日下发的维修基地系统文件-关于对冬季维护和除防冰工作相关标准的细化说明中给出了具体标准，即：环境温度小于5°C时，符合地面结冰条件，在结冰条件下，任何部位都不允许有冰雪霜，环境温度大于5°C时，大翼下表面的霜按浸冷效应对待，下表面燃油箱部位允许有不大于3mm厚度的霜。 该说明矛盾的地方在于：此规定仅仅按环境温度来界定是否为结冰条件，没有明确理解结冰条件的定义。结冰条件不仅仅包含环境温度，还与湿度、雨、雪、雾等有关。假如气候比较干燥，湿度很小或者还有阵风，而且环境温度低于5°C的情况下（即不符合结冰条件），航前加油之前没有冰和霜，而加入温度较低的燃油之后，由于浸冷效应致使大翼下表面出现的霜，我们应该怎么对待？按除防冰大纲的理解应该按浸冷效应对待，即允许霜厚度不大于3mm，而按上述规定对待，任何部位是不允许有霜存在的，因此该细化说明混淆了地面结冰条件和 A320防冰防雨系统 1．防冰电子控制面板 A320防冰系统、探针/玻璃加热、座舱压力电子控制面板图如下： 面板从左往右，有关防冰的： （1）机翼防冰 ON（开启） “ON”灯亮 “机翼防冰”的信息传输到飞机电子集中监控系统ECAM并显示 机翼防冰阀门开启，来获得热空气 OFF（关闭） “ON”灯变成“OFF” 机翼防冰阀门关闭 FAULT（故障）—当出现以下情况时，此灯亮： 机翼防冰阀门偏离指定位置 检测到低压 （2）发动机1/2防冰 分别控制对应的发动机防冰系统 ON（开启） “ON”灯亮 “发动机防冰”的信息传输到飞机电子集中监控系统ECAM并显示 发动机防冰阀门开启，来获得发动机引气（Engine bleed air） 发动机阀门一开启，就连续不间断防冰，“ON”灯一直亮OFF（关闭） “ON”灯变成“OFF” 发动机防冰阀门关闭 FAULT（故障）—当出现以下情况时，此灯亮： 发动机防冰阀门偏离联接位置（switch position） （3）探头/风挡玻璃加热 AUTO（自动） 飞行过程中给探头和风挡玻璃提供自动加热 地面上当发动机启动时 ON（开启） 给探头和风挡玻璃提供热量 2．A320采用的防冰方法及部件 采用热空气和电加热两种防冰方法。 A320采用热空气防冰的部件有： 机翼前缘； 发动机进气口。 A320采用电加热防冰的部件有： 驾驶舱的风挡和侧窗； 全空温（TAT）探头； 迎角（ALPHA）探头； 空速管和大气数据系统（ADS）的静压探头； 污水排水柱。 3．防冰防雨具体位置 A320具体的防冰防雨的位置，如： 图1 A320防冰防雨部件的位置 4．机翼防冰系统 A320防冰翼面只有大翼，前缘缝翼3，4和5号采用热气防冰的方法，如。进入缝翼前缘内的热空气来自发动机引气。用于防冰的空气由气源系统所提供，其流量由压力控制/关断活门（机翼防冰控制活门）控制。当电路有供电时，由气动控制/关断活门选择打开。在每个活门的顺流都安装有限流器控制气流，如。 离开控制活门的空气经过固定在大翼前缘内的装有隔热套的供气导管，到达一个伸缩管，如，，中所示，该伸缩管将空气传送到3号缝翼内的笛形管（Piccolo duct）的内侧端。空气经过由柔性导管相连接的笛形管管路，沿3，4和5号缝翼进行分配。热气经笛形管管壁上的喷口，如和，向缝翼表面喷射来加热表面。空气在防冰腔内流动，然后通过加速度槽进入后部，最后空气从缝翼底部表面的孔排出机外，如。 大翼防冰系统是用来防止在3，4和5号缝翼前缘出现结冰。该系统（左右大翼均有）使用来自气源系统的热空气，在所有飞行条件下都可用。 通常两个发动机引气供给气源系统。如果发动机出现故障，只有一个发动机提供热空气时,气源系统的交输引气活门打开，此时可又一台发动机给两个大翼提供热气，如。 大翼防冰系统只允许在空中连续工作，但也可在地面上进行测试。以防止缝翼受到过热损伤，地面测试在30秒后自动停止。 应用ABAQUS进行焊接温度场模拟 课程纲要： z ABAQUS简介 z ABAQUS分析过程简介 z建立有限元模型 z执行ABAQUS程序 z使用结果后处理功能 ABAQUS是由美国Hibbitt、Karlsson & Sorensen (HKS)公司所发展的有限元软件。它的应用范围相当广泛，从大型线性结构分析到极度非线性的材料变形行为等各种力学问题，都可以用ABAQUS解决。特别是它的非线性力学分析功能具有世界领先水平，受到世界上许多著名公司、大学和研究部门的青睐。这个软件在发展之初即以能在生产中解决实际的问题为目标，所以除了多方面的先进功能外，使用的容易度、可靠性、扩充性、计算效率等，特别是允许使用者附加子程序的功能，都受到广泛的重视。 本课程将以一个简单的焊接热过程模拟实例，介绍ABAQUS的基本功能，循序讲述如何建立一个焊接过程有限元分析模型、模型的计算，以及结果的处理分析等。 ABAQUS分析过程简介 例子： 问题描述： SUS301不锈钢板表面MIG堆焊，如下图所示： 这是一个最简单的三维问题 在ABAQUS CAE里我们会依次用到下面几个Module(模块) Part (画几何图形创建部件) Property（赋予材料性能） Assembly（多个部件按位置组装在一起，如果需要的话）Step（创建分析步：焊接步、散热步…） Load（创建载荷，热输入也是一种载荷） Mesh（画网络） Job（提交任务） 一、首先我们创建几何体Part 启动ABAQUS/CAE，在出现的对话框内 选择Create Model Database。 2、从Module 列表中选择Part，进入Part 模块 3、选择Part→Create 来创建一个新的部件。 4、CAE 弹出一个如右图的对话框。将这个部件 命名为Plane（名字随意），Modeling Space（3D）、 Type（Deformable）即三维、可变形体 和BaseFeature (Solid,Extrusion拉伸，即通过截面拉伸获得三维实体模型)选项如右图。 5、输入200（这个尺寸大约为模型最大尺寸的4倍，并无 固定限制）作为Approximate size 的值。 点击Continue。 出现画草图界面，并显示栅格。这时需要我们画出三维体的一个 二维截面。 第２４卷第２期 ２ＯＯ 焊接学报 ｖ０１．２４Ａｐｒｉｌ Ｎｏ．２２０Ｏ３ ３年４月ＴＲＡＮＳＡＣ’ｎ０ＮＳ０ＦＴＨＥＣＨＩＮＡ碍砸ＬＤＩＮＧＩＮＳｎＴＵｒｎＯＮ 激光焊接温度场数值模拟 薛忠明，顾 兰， 张彦华 （北京航空航天大学机械工程及自动化学院。北京１０００８３） 摘要：深入分析了激光焊接小孔传热模型的特点，在此基础上选取合适的热源形式，研究了移动线热源和高斯分布热源作用下，准稳态与瞬态激光焊接温度场。利用ＭＡＴ－ＬＡＢ软件及ＡＮｓＹＳ有限元分析程序对激光焊接温度场分别进行了计算及模拟，并且将两种分析结果进行了比较。最后还将有限元的模拟值与实测值进行了对比分析，进一步验证了小孔模型与高斯热源在激光焊接温度场模拟中的适用性。关键词：激光焊接；温度场；有限元；ＡＮｓＹｓ 中围分类号：１嘶６ Ｏ 文献标识码：Ａ文章编号：０２５３—３６０ｘ（２００３）０１—７９—０４薛忠明 序言 实测值进行了对比分析，验证了小孔模型与高斯热源在激光焊接温度场模拟中的适用性（板厚≤４ｍｍ）。 激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法。激光焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、适应性强等优点，广泛应用于航空航天、汽车、微电子、轻工业、医疗及核工业等要求高精度和高质量的焊接领域。 １ 激光焊接中的小孔传热模型 当激光功率密度达到１０６Ｗ，／ｃｍ２时，激光能量 由于激光焊接是一巾陕速而不均匀的热循环过 程，焊缝附近出现很大的温度梯度，因此在焊后的结构中也会出现不同程度的残余应力和变形，这些都成为影响焊接结构质量和使用性能的重要因素。准确地认 识焊接热过程，对焊接结构力学分析、显微组织分析以及最终的焊接质量控制具有重要意义。 ２０世纪７０年代以来，国外很多学者对激光焊接机理进行了深入的研究，提出了蒸汽小孔模型。考虑熔池形状以及熔池中金属的流动和热流分布，考虑电子密度、离子化程度、等离子体对入射激光的吸收系数和激光焊接工艺参数对熔深的影响，建立了不同的能量吸收模型”。。这些研究偏向于应用物理和量子力学的研究领域，在实际工程分析中存在一定的局限性。在国内，有关激光焊接机理以及激光焊接温度场与力学场的数值模拟方面的研究正在引起重视。 作者深入分析了激光焊接小孔传热模型，在此基础上选取合适的热源形式，研究了移动线热源和高斯分布热源作用下，准稳态与瞬态激光焊接温度场。利用ＭＡｌｌＡＢ软件及ＡＮＳＹｓ有限元程序对激光焊接温度场分别进行了计算及模拟，并且将两种分析结果进行了比较。最后还将有限元的模拟值与 收稿日期：２００２—０７—１２ 向工件输入的速率远大于传导、对流、辐射散热的速率，材料表面产生汽化而形成小孔，激光能量是通过小孔而进行转换和传递的。 激光焊接中熔池与小孔的几何特征如图ｌ所示。焊件表面被加热、熔化、蒸发，在蒸汽压力的作用下形成小孔，当小孔产生的蒸汽压力与熔池中液体金属的静应力达到平衡时，小孔是稳定存在的‘“。 固１Ｈｇ．１ 激光焊接熔池与小孔几何特征囤 Ｇ岫ｅｔｒ萱ｃｆ嘲ｕｒ嚣０ｆｍｏｌｔｅｎ ａｎｄｋｅｙｈ０Ｉｅｉｎ ｐｏｏｌ Ｊ∞ｅｒｗｅⅫ咂ｇ 激光焊接中，小孔与工件作相对运动，运动过程 中的动量扩散和热量扩散的相对程度由佩克莱特准 万方数据 ８０ 第21卷第4期 2007年4月常熟理工学院学报(自然科学版)Journal of Changshu I nstitute of Technol ogy (Natural Sciences )Vol .21No .4Ap r .,2007 收稿日期:2007-03-02 作者简介:韩雄伟(1982—),男,内蒙五原人,西华大学材料科学与工程学院硕士研究生,研究方向:计算机在材料成型中 的应用。 铝合金压铸模具温度场数值分析 韩雄伟,吴 卫 (西华大学材料科学与工程学院,四川成都 610039) 摘 要:采用PROCAST 对铝合金压铸用模具在压铸过程中的温度场进行了数值模拟,对压铸边 界条件和传热系统的潜热采用热焓法进行了处理,分析了在不同时刻模具的温度场分布,分析了在 不同的浇注温度和不同的模具预热温度情况下对模具温度场的影响,并且预测了热应力集中的位 置,对压铸工艺参数的优化提出了见解,分析了冷却水管的作用,为压铸模具的热应力分析奠定基 础。 关键词:铝合金;压铸模具;温度场;PROCAST 中图分类号:TG249.2 文献标识码:A 文章编号:1008-2794(2007)04-0080-04 压铸过程是利用高压力、高速度迫使浇入压铸机的熔融或半熔融状态的金属在极短时间内充满压铸模的型腔。在这样的充填条件下,虽然金属压铸模的导热性很高,蓄热能力很强,但要求在压铸模型腔内获得形状完整、轮廓清晰、尺寸精度高的铸件,必须得选用合理的模具结构和压铸工艺,而压铸模具的尺寸精度和使用寿命在很大程度上取决于其在压铸过程中热应力和其产生的变形。而实际测量模具的热应力难度大、成本高,故采用有限元数值模拟的方法,预测铸件和模具在工作中的温度场的分布,通过温度梯度的分析预 测应力集中的部位,并预测裂纹可能出现的位置,从而为优化模具结构和压铸工艺提供依据[1]。 本文通过对铝合金压铸模具的温度场模拟,分析了不同压铸工艺时模具的温度场分布,为确定压铸工艺参数提供参考,为进一步模拟模具的应力场分布打下了基础。 1 模拟的压铸件和模具 选用的压铸件平均壁厚为5mm ,压铸过程中蓄热量较大,模具温度场效果明显,适于温度场模拟。模拟部分包括铸件、动模和定模。 压铸件材料为:YZ A lSi10Mg;液相线温度为616℃,固体相线温度为556℃,热导率、密度和焓都是随温度变化的函数。 模具的材料为:Steel -H13;密度为7360Kg/m 3;热导率和比热容都是随温度变化的函数,热导率不高, 热膨胀系数较大,易产生热疲劳。 模具与铸件间的传热系数为1000W /(m 2K );模具与模具间的传热系数为1500W /(m 2K );模具与冷却 水管间的传热系数为500W /(m 2K )[2]。维导热物体温度场的数值模拟
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