热物理模拟设备的发展

物理模拟设备的发展综述摘要：物理模拟技术，作为材料成形工艺的简单实验，可以对复杂成形技术提供可靠的支持，在材料的加工领域里面有不可取代的作用。早期使用橡皮泥，铅块，石蜡等塑性较好的材料来进行复杂成形过程的模拟，以提供合理的设计参数，这种方法浪费大，时间长，效率较低，随着计算机技术的发展，目前更多的模拟同在在电脑上进行，先在热物理模拟机上进行的简单的模拟，得到材料的性能参数，然后在电脑上利用专门的商业软件进行模拟，这样不仅花费小，开发周期短，而且可以使材料的数据得到最大的用途。因此，热物理模拟设备的发展对物理模拟的进步有着举足轻重的作用。关键词：物理模拟，热物理模拟机，Gleeble前言“物理模拟”是一个内涵十分丰富的广义概念，也是一种重要的科学方法和工程手段。通常，“物理模拟”是指缩小或放大比例，或简化条件，或待用材料，用实验的模型来代替原型的研究。对材料和热加工工艺来说，物理模拟通常指利用小试样，借助某种实验装置在线材料制备或热加工过程中受热火受力的物理过程，充分而准确的揭示材料或工件在制备和热加工过程中的组织和性能变化规律，用这些来评定或预测材料制备或加工过程中可能出现的问题，为制定合理的加工工艺和参数，以及研制新材料提供理论指导和技术支持。物理实验可以分为以下两种，一种是在模拟过程中进行的实验，另一种是模拟完成后进行的实验。以往我们在进行科学研究或者工件的生产过程，为评价工艺方案对材料性能或产品质量的影响，多采用实验的方法，这种简单直接的实验不仅仅要消耗大量的时间，材料和金钱，而且得到结果仅仅能够表示在该工艺下的结果，并不能对其他工艺有太多的指导意义，因此我们必须在实验工艺和方法上进行有一定的创新和改造。近些年来，随着计算机技术和工程检测技术的迅速发展，物理模拟，数值模拟以及与模拟相关的专业软件都有了长足的进步，相关软件在材料科学和工程领域的运用都取得了非常好的效果，材料学科的研究开始从“经验”走向“科学”。新模拟技术的应用使得人们不仅可以对变形过程有了更加直观的认识，对模具的设计参数好坏有了更加直观的评价，为工艺的制定和工艺参数的设计提供了更加可靠的依据，从而大大减少了新产品和新材料的开发周期和开发费用，降低了企业的成本，提高企业的竞争力。热物理模拟技术的发展概况1.1美国热模拟实验机的发展1.1.1Gleeble热模拟机的发展世界上最早在材料和热加工领域采用物理模拟技术的国家是美国。1946年，美国纽约州伦塞勒工学院（即RPI）的Nippes教授和Savage博士根据第二次世界大战中美国制造舰艇的需要，为了研究熔焊规范对舰船用钢板热影响区缺口韧性的影响，将闪光电阻焊机的电气控制线路进行了改装，把“却贝”式样加持在夹头上，利用电阻加热发，成功再现了所有要求的焊接热循环，试样温度精度可控制在±20℃以内，这是世界上第一台利用电阻加热的高温延性装置，以后演变为著名的“Gleeble”实验机，并于1949年连续两次在国际上发表了两篇模拟焊接热影响区的文章。在1950-1959年期间，他们完善和改进了抗干扰系统，并提高了测温和控温精度，最终制得了第一台较为满意的Gleeble-500型热模拟实验机，不仅可以进行热循环模拟，还可以模拟应力和应变循环，应用的范围开始扩大到锻造，轧制，铸造，热处理，凝固，相变等领域。1979年以后，随着计算机控制技术的应用以及测量系统和机械装置的改进，不同功能的Gleeble热/力模拟实验装置不断研发，如Gleeble-1000，1500，2000，3200，3500，3800等，模拟的精度和应用水平得到了迅速的提高。随着计算机技术的发展，数字控制大规模地运用在Gleeble，在之后一系列机型中，添加了Gleeble-1500D，3200D等，这些热模拟机的智能化程度更高，控制精度更加精细，实验结果更符合实际情况，应用较为广泛。1.1.2Gleeble3800简介Gleeble3800热／力学模拟试验机是美国DSI公司的产品，在物理模拟领域具有广泛的应用。利用该设备可研究成分与各工艺参数对组织和性能的影响，用于指导产品设计和实际生产工艺的制定，并有助于建立数学模型。文章将介绍Gleeble3800热／力学模拟试验机的几个典型试验。包括不同温度下的单／多道次压缩变形试验、高温热缩性试验、相转变点试验、零强／低力试验、熔化和凝固试验以及焊接HAZ模拟试验等。这些试验可用来解决连铸(模铸)、焊接、轧钢(锻造、挤压等)、热处理和冷轧工艺中存在的一些问题。Gleeble3800独创的电阻加热系统能以10000~C／s的速度加热试样，或保持不变的稳态温度。高导热率的夹具使Gleeble3800具有高速冷却能力。另外选配的淬火系统可以在试样表面达到10000oC／s的冷却速度。热电偶为精确的控制试样温度提供反馈数据。由于独特的高速加热方法，Gleeble系统比传统的熔炉加热快3～10倍。Gleeble3800的机械系统是一个具有20吨静压力和10t静拉力的全集成液压伺服控制系统。最快达到2000mm／s的移动速度，最大动载荷可达8t。LVDT传感器、测力单元或非接触激光膨胀仪提供反馈数据，确保机械测试过程的精确性和重复性。Gleeble3800系统的核心是Ⅲ型数字控制系统。通过数字控制闭环热力学伺服系统，提供了所有控制热和机械测试所必须的信号。Gleeble3800可以完全计算机操作，完全手动操作，或二者的任意结合，为材料测试提供最大的灵活性。数字控制系统由基于视窗的工作站和控制台内的强有力的嵌入式处理器组成。工作站为创建模拟程序、分析数据、编写报告和展示文件提供了一个灵活的工业标准和多任务图形用户界面。嵌入式处理器执行测试和模拟程序，采集指定变量的数据。这种设计使用户能充分利用工作站的强大处理能力，即使在测试或模拟中依然可以创建新的程序和分析数据。Gleeble3800系统有一套方便的工具软件----QuikSim软件，以命令和持续时间的方式描述测试序列的每一动作。QuikSim软件允许用户为热和机械系统编制任意工作轨迹。为编制更精细的测试程序，还有形变控制软件和Gleeble脚本语言可以选用。1.2苏联，日本等其他国家的热模拟实验机的发展前苏联和日本从上个世纪50年代开始了热物理模拟技术的研究以及实验装置的研发工作。50年代中期，前苏联的A.A.鲍依柯夫冶金研究所研制成功了ИMET-1型热模拟实验机，采用直接给试样家电，依靠自身电阻加热。利用这些设备，他们曾研究了焊接CCT图。该装置设有电磁式瞬间加载装置，可完成高温塑性，强度试验，其后又采用自动程序控制，改装成了具有应力应变模拟功能的复合型热/力模拟设备。其后研制的ИMET-2型用于研究金属在焊接结晶过程中的变形抗力和热裂纹敏感性，ИMET-4型用于研究延迟破坏的冷裂纹敏感性，ИMET-6型小型快速膨胀仪。随着前苏联的解体，俄罗斯的热模拟设备研究开始没落，目前仅有在乌克兰的巴东电焊研究所仍然在热模拟实验装置上进行开发。与美国和前苏联不同的是，日本在加热方式上选择高频电感应加热方式。日本在加热方式上采用在试样周围套上感应圈，利用试样中产生的感应电流的热效应完成加热。日本较为先进的热模拟实验设备的典型代表为Thermorestor-Z型高温变形热模拟实验机以及Thermorestor-W焊接热应力应变装置。此外，日本富士电波工机株式会社还研制了全自动变态记录测定仪Formastor-F和Formastor-Press，其中Formastor-Press主要应用于压力加工工艺的模拟。英国在弹塑性断裂力学COD实验方法标准化之后，其热模拟实验机设备具有功率大的特点，如英国中央发电局（CEGB）的容量为200KVA电阻加热式，加载能力为10t的液压拉神模拟机是70年代世界上功率最大的设备之一。法国是世界上在热模拟试验机商采用电子计算机最早的国家，同时在模拟扭转的实验方面做有成效。其他国家在上个世纪也在热模拟实验机上面做了大量的工作，仿制或研制了大量的设备。热物理模拟为了保证模拟的精度，不仅需要在实验设备上进行一系列的改进，实验方法和测试技术的进步，同时还要求建立标准的模拟试样标准和模拟程序标准。1.3国内热模拟实验机的发展中国是世界上开发应用物理模拟技术极有成效的国家之一，从上个世纪60年代初就开始了热物理模拟技术的研究，并研制了一批热物理模拟实验装备。哈尔滨工业工业大学吧容量为75KVA的接触焊机进行改装，叫交流变压器多抽头变档来改变加热速率，用多对铂铑-铂热电偶测量与控制温度，并配以可调型拘束，他不但可以模拟焊接热循环，焊接热应变循环，在经过几次改进之后，该设备一直使用到1983年。同时期，天津大学也将电阻焊机改装，并使用气动夹具加持工件，用八波示波器记录温度，用于模拟焊接热循环实验，冶金部钢铁研究总院用25kw对焊机变压器作为加热热源，研制了土伦水阻控制器试样加热速度，用储能点焊机将铂铑-铂热电偶焊接在试样上，用八波示波器记录热循环曲线，成功进行了热循环模拟实验，并应用于铁素体不锈钢可焊性研究上，并取得了良好的效果。沈阳金属研究所研制的热模拟实验机吸收了苏联，捷克等国家模拟机的特点，在60年代国内自制的机型中性能算是较为先进的装置之一。1963-1965年，冶金钢铁研究总院，北京冶金仪表厂和上海新业电工机械厂等单位，先后按照苏联图纸仿制了五台ИMET-1型热模拟实验机，并在1970年后对这些设备控制系统进行了改造。特别是钢铁研究总院，在仿制ИMET-1基础上，综合了英美等国家热模拟设备的优点，改进并试制了HRJ-2型热模拟实验机，采用定点分段电子程序控制，并对试样水冷卡头也重新进行了设计，1979年通过冶金部鉴定。1981年，哈尔滨焊接研究所研制成功了功率为200kW的的HRM-1型热模拟实验机，该设备利用光电函数发生器给定，电子程序控制。1985-1987年，洛阳船舶材料研究所先后研制成功了CKR-2型DM-100型焊接热模拟机。1996年，洛阳船舶材料研究所成功研制了DM-100A型热模拟实验机，相对于DM-100，加热精度及运行灵活性，可靠性都进一步增强。随着近些年我国与国际的接轨，国外的先进热模拟机开始走进中国，主要以日本富士电波工机株式会社的Thermorestor系列和美国DSI公司的gleeble系列实验机为主。结论：随着电子技术的进步，无力模拟实验机从最开始的简单粗糙笨重到现在小型精密，模拟机应用从单纯的焊接开始向塑性加工，热处理，铸造等方向发展和应用，结合最新的商业有限元软件，使得热物理模拟正在被大量的应用。参考文献1.国家自然科学基金委员会.自然科学学科发展战略调查报告，机械制造学（热加工）.北京：科学出版社，19952.张文岳.金属熔焊原理及工艺（上册）.北京：机械工业出版社3.牛济泰.材料和热加工领域的物理模拟技术.北京：国防工业出版社