1.本发明涉及一种预测不同位置的流场、温度场及组织场的方法，属于热处理工艺参数测量与结果预测领域。
背景技术：2.金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。冷却是热处理工艺的最重要工序，而降温过程的精确温度曲线的测量和预测一直是一个研究热点。
3.淬火是将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却以得到高强度、硬度的马氏体组织的金属热处理工艺。在淬火降温过程中大多采用标准化热电偶固定在工件内部记录温度，通过多条冷却温度曲线整合，大致描述淬火工艺的温度场。
4.目前人们对温度场的研究已经比较深入，采用有限差分法和有限单元法进行温度场的数值模拟，但是并不能准确反映实际温度变化，这是因为模拟过程一般没有考虑介质随温度变化的因素，而是简化为一个固定的换热系数和介质温度，但实际生产中介质温度会随着工件温度发生显著变化，在达到一定温度时便会产生介质沸腾，按照沸腾气泡产生的大小分为三个阶段：膜沸腾、过渡沸腾和核沸腾，体现在具有不同的换热系数。
5.使用流速和温度采集器对三个阶段传热状态的数据进行采集联立分析可以得到不同位置的换热系数随温度变化的曲线。
技术实现要素：6.本发明针对目前无法准确测量并预测淬火过程的问题，提供一种预测不同位置的流场、温度场及组织场的方法，具体包括以下步骤：
7.(1)使用可同时采集介质流速及温度的集成信号采集器，安装在设定工位的淬火槽中，优选铸件结构复杂处，并进行编号，集成信号采集器与温度变送器连接，温度变送器连与多路数据采集仪连接，并收集记录数据。
8.(2)使用基于matlab的编程软件对收集到的数据进行处理，区分介质沸腾的不同阶段(不同沸腾状态的流速与换热系数是不同的)，计算不同位置的换热系数，建立介质流速、温度与换热系数的联系，公式为：
9.q＝λ(t
1-t2)v，
10.其中：q为热流密度，λ为材料导热系数，(t
1-t2)为介质温度变化值，其中t1为其实温度，t2为结束温度，v为介质流速。
11.(3)使用软件计算得到的热力学参数及换热系数(比如comsol，ansys)，收集介质初始温度、铸件热处理温度建立有限元数值模型。
12.(4)通过实际生产纪录的介质流速与介质温度并结合有限元数值模拟，建立淬火模型，得到不同位置的流场、温度场及组织场。
13.不同位置的换热系数根据公式q＝h(ts-tg)反复迭代求出h，其中：q为热流密度，h为表面换热系数，ts为待测样品表面温度，tg为介质温度。
14.优选的，本发明步骤1所述集成信号采集器包括环形热电偶ⅰ1、环形热电偶ⅱ2、补偿热电偶3、感应旋浆4、齿轮铰链5、支架套管6；环形热电偶ⅰ1、环形热电偶ⅱ2的两端通过齿轮铰链5连接形成一个圆形，支架套管6的下端设有半圆形连接件，半圆形连接件两端通过齿轮铰链5与环形热电偶ⅰ1、环形热电偶ⅱ2连接，环形热电偶ⅰ1、环形热电偶ⅱ2与铸件表面直接接触，通过齿轮铰链调整热电偶感应线的位置，用以适应不同形状的铸件，可以实现25
°
～335
°
范围内转动调节热电偶高度，用以适应与不同形状的铸件表面接触测温；感应旋浆4两端与齿轮铰链5连接，感应旋浆4正上方设有支架套管6，支架套管6的下端安装有补偿热电偶3。
15.优选的，本发明所述补偿热电偶3包括热电偶正极偶丝31、热电偶负极极偶丝32、套管连接器33、感应接头34、绝缘介质35；热电偶正极偶丝31、热电偶负极极偶丝32与感应接头34的交点连接，感应接头34通过套管连接器33与支架套管6连接，支架套管6和感应接头34为中空结构，内填充有绝缘介质35，用以测量介质温度作为补偿条件修正另外两根热电偶温度数据。
16.优选的，本发明所述感应接头34材质为铜铝合金材质，外表面形状为圆台结构，内表面形状为圆锥结构；所述感应接头34表面粗糙度为ra0.1-ra0.3。
17.优选的，本发明所述感应旋浆4的转轴44为绝缘材料，转轴上两端设有闭合线圈，转轴44上对应设有绝缘凸起43，当感应旋浆4旋转一圈绝缘凸起43接触点与感应线圈正极41和感应线圈负极42接触，将闭合线圈中的正极部分顶起，断开线路，内置信号装置产生转数信号。
18.优选的，本发明所述感应旋浆4，由介质流动推动感应旋桨转子旋转，内置信号装置产生转数信号，通过v＝kn/t得到介质流速，其中v：测流时间段内平均流速(m/s)，k：桨叶螺距(mm)，n：测流时段内信号数，t：测流历时(s)，感应旋浆的材质为石墨质碳纤维。
19.本发明相对于现有技术的有益效果在于：
20.(1)集成热电偶及感应旋浆同时测量同一位置的介质温度及流速，可改变位置的环型热电偶及圆台接触方式，实现对温度的快速响应，同时三根热电偶数据进行相互修正可得到较为准确的温度数据。
21.(2)使用多种信号检测设备从多方面记录分析淬火过程，尤其对于介质沸腾的三个阶段其流速有明显变化；通过反传热的方法计算得到的换热系数可以使淬火过程的数值模拟结果进一步提高精度。
附图说明
22.图1为本发明的可同时采集介质流速及温度的集成信号采集器的结构示意图；
23.图2为环形热电偶移动示意图；
24.图3为本发明的补偿测温热电偶结构示意图，
25.图4为集成信号采集器安装位置示意图；
26.图5为感应旋浆结构示意图，a为断开图，b为闭合电路图；
27.图6为实际测量图；
28.图7为采集的介质流速曲线；
29.图8为实测热电偶补偿修正温度曲线；
30.图9为模拟得到对应点温度曲线；
31.图10为模拟得到的温度场。
32.图1中：1-环形热电偶ⅰ；2-环形热电偶ⅱ；3-补偿热电偶；4-感应旋浆；5-齿轮铰链；6-支架套管；
33.图3中：31-热电偶正极偶丝，32-热电偶负极极偶丝，33-套管连接器，34-感应接头，35-绝缘介质。
34.图5中：41-感应线圈正极，42-感应线圈负极，43-绝缘凸起；44-转轴。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
36.实施例1
37.一种预测不同位置的流场、温度场及组织场的方法，具体包括以下步骤：
38.(1)使用可同时采集介质流速及温度的集成信号采集器，在设定工位的淬火槽中安装在铸件结构复杂处，并进行编号，通过温度变送器与多路数据采集仪连接并收集记录数据。
39.(2)使用基于matlab的编程软件对收集到的数据进行处理，区分介质沸腾的不同阶段，计算不同位置的换热系数，建立介质流速、温度与换热系数的联系。
40.(3)使用软件计算得到的热力学参数及换热系数，收集介质初始温度、铸件热处理温度建立有限元数值模型。
41.(4)通过实际生产纪录的介质流速与介质温度并结合有限元数值模拟，建立淬火模型，得到不同位置的流场、温度场及组织场。
42.应用案例：
43.选用2个集成信号采集器，固定在淬火槽中铸件结构复杂处，进行编号1、2，安装位置如图4所示；
44.将铸件送入电阻炉加热至1000℃，保温2小时使内部温度均匀，打开淬火槽水循环系统。
45.打开多路数据采集仪，待水流稳定后，从电阻炉中取出铸件，使用行车吊篮放入淬火槽进行淬火，如图6所示，采集仪开始采集淬火的铸件温度、介质温度与介质流速信号。
46.待两根集成信号采集器采集的铸件温度达到20℃左右，取出铸件并关闭多路数据采集仪，通过u盘导出数据至计算机，使用origin数据处理软件，编入公式v＝kn/t换算得到图7所示数据。
47.使用基于matlab的编程软件对收集到的数据进行处理，去掉突变的异常数据，得
到图8温度冷却曲线，通过温度变化幅度与流速区分沸腾的三个阶段，计算2个位置的换热系数，通过反传热法中的公式q＝h(ts-tg)与q＝λ(t1-t2)v建立介质流速、温度与换热系数的联系。
48.使用软件计算得到的热力学参数及换热系数，建立有限元数值模型，得到图9所示对应位置温度冷却曲线，与实际曲线具有较高拟合度。
49.通过图10的温度场数值模型，可以得到温度梯度变化数值以及组织转变量分布梯度，可以分析判断在淬火过程中，影响温度冷却曲线的主要因素和变化区间，进而可以模拟计算出全过程组织场，在批量化生产中，仅通过本发明设计的集成信号采集器安放在特定位置即可预测整个铸件经过淬火热处理后组织分布。
50.作为本发明的一个优选实施方式，所述可同时采集介质流速及温度的集成信号采集器，如图1～4所示，包括环形热电偶ⅰ1、环形热电偶ⅱ2、补偿热电偶3、感应旋浆4、齿轮铰链5、支架套管6；环形热电偶ⅰ1、环形热电偶ⅱ2的两端通过齿轮铰链5连接形成一个圆形，支架套管6的下端设有半圆形连接件，半圆形连接件两端通过齿轮铰链5与环形热电偶ⅰ1、环形热电偶ⅱ2连接，环形热电偶ⅰ1、环形热电偶ⅱ2与铸件表面直接接触，通过齿轮铰链调整热电偶感应线的位置，用以适应不同形状的铸件，可以实现25
°
～335
°
范围内转动调节热电偶高度，用以适应与不同形状的铸件表面接触测温；感应旋浆4两端与齿轮铰链5连接，感应旋浆4正上方设有支架套管6，支架套管6的下端安装有补偿热电偶3；补偿热电偶3包括热电偶正极偶丝31、热电偶负极极偶丝32、套管连接器33、感应接头34、绝缘介质35；热电偶正极偶丝31、热电偶负极极偶丝32与感应接头34的交点连接，感应接头34通过套管连接器33与支架套管6连接，支架套管6和感应接头34为中空结构，内填充有绝缘介质35，用以测量介质温度作为补偿条件修正另外两根热电偶温度数据。所述感应接头34材质为铜铝合金材质，外表面形状为圆台结构，内表面形状为圆锥结构；所述感应接头34表面粗糙度为ra0.1-ra0.3；所述感应旋浆4的转轴44为绝缘材料，转轴上两端设有闭合线圈，转轴44上对应设有绝缘凸起43，当感应旋浆4旋转一圈绝缘凸起43接触点与感应线圈正极41和感应线圈负极42接触，将闭合线圈中的正极部分顶起，断开线路，内置信号装置产生转数信号。
技术特征：1.一种预测不同位置的流场、温度场及组织场的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)使用可同时采集介质流速及温度的集成信号采集器，安装在设定工位的淬火槽中，并进行编号，集成信号采集器与温度变送器连接，温度变送器连与多路数据采集仪连接，并收集记录数据；(2)使用基于matlab的编程软件对收集到的数据进行处理，区分介质沸腾的不同阶段，计算不同位置的换热系数，建立介质流速、温度与换热系数的联系，公式为：q＝λ(t
1-t2)v，其中：q为热流密度，λ为材料导热系数，(t
1-t2)为介质温度变化值，v为介质流速；(3)使用软件计算得到的热力学参数及换热系数，收集介质初始温度、铸件热处理温度建立有限元数值模型；(4)通过实际生产纪录的介质流速与介质温度并结合有限元数值模拟，建立淬火模型，得到不同位置的流场、温度场及组织场。2.根据权利要求1所述预测不同位置的流场、温度场及组织场的方法，其特征在于，不同位置的换热系数根据公式q＝h(ts-tg)反复迭代求出h，其中：q为热流密度，h为表面换热系数，ts为待测样品表面温度，tg为介质温度。3.根据权利要求1或2所述预测不同位置的流场、温度场及组织场的方法，其特征在于：步骤(1)所述集成信号采集器包括环形热电偶ⅰ(1)、环形热电偶ⅱ(2)、补偿热电偶(3)、感应旋浆(4)、齿轮铰链(5)、支架套管(6)；环形热电偶ⅰ(1)、环形热电偶ⅱ(2)的两端通过齿轮铰链(5)连接形成一个圆形，支架套管(6)的下端设有半圆形连接件，半圆形连接件两端通过齿轮铰链(5)与环形热电偶ⅰ(1)、环形热电偶ⅱ(2)连接，感应旋浆(4)两端与齿轮铰链(5)连接，感应旋浆(4)正上方设有支架套管(6)，支架套管(6)的下端安装有补偿热电偶(3)。4.根据权利要求3所述所述预测不同位置的流场、温度场及组织场的方法，其特征在于：所述补偿热电偶(3)包括热电偶正极偶丝(31)、热电偶负极极偶丝(32)、套管连接器(33)、感应接头(34)、绝缘介质(35)；热电偶正极偶丝(31)、热电偶负极极偶丝(32)与感应接头(34)的交点连接，感应接头(34)通过套管连接器(33)与支架套管(6)连接，支架套管(6)和感应接头(34)为中空结构，内填充有绝缘介质(35)。5.根据权利要求4所述所述预测不同位置的流场、温度场及组织场的方法，其特征在于：所述感应接头(34)材质为铜铝合金材质，外表面形状为圆台结构，内表面形状为圆锥结构；所述感应接头(34)表面粗糙度为ra0.1-ra0.3。6.根据权利要求3或5所述所述预测不同位置的流场、温度场及组织场的方法，其特征在于：所述感应旋浆(4)的转轴(44)为绝缘材料，转轴上两端设有闭合线圈，转轴(44)上对应设有绝缘凸起(43)，当感应旋浆(4)旋转一圈绝缘凸起(43)接触点与感应线圈正极(41)和感应线圈负极(42)接触，将闭合线圈中的正极部分顶起，断开线路，内置信号装置产生转数信号。7.根据权利要求6所述所述预测不同位置的流场、温度场及组织场的方法，其特征在于：所述感应旋浆(4)，由介质流动推动感应旋桨转子旋转，内置信号装置产生转数信号，通过v＝kn/t得到介质流速，其中v：测流时间段内平均流速(m/s)，k：桨叶螺距(mm)，n：测流时
段内信号数，t：测流历时(s)，感应旋浆的材质为石墨质碳纤维。
技术总结本发明公开一种预测不同位置的流场、温度场及组织场的方法，设计可同时采集介质流速及温度的集成信号采集器，在设定工位的淬火槽中安装在铸件结构复杂处，并进行编号，使用多路数据采集仪收集记录数据；对收集到的数据进行处理，计算不同位置的换热系数，建立介质流速、温度与换热系数的联系；计算热力学参数及换热系数，收集介质初始温度、铸件热处理温度建立有限元数值模型；通过实际介质流速与介质温度并结合有限元数值模拟，建立淬火模型，得到不同位置的流场、温度场及组织场。本发明通过反传热计算的方法得到的换热系数可以使淬火过程的数值模拟结果进一步提高精度，以此模型预测的组织场而设定的热处理参数使铸件获得更为均匀的组织。为均匀的组织。为均匀的组织。
技术研发人员：李祖来 吴迪 张飞 山泉 苟浩杰
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2022.07.12
技术公布日：2022/11/1
