熱物理模擬設(shè)備的發(fā)展

1、物理模擬設(shè)備的發(fā)展綜述摘要：物理模擬技術(shù)，作為材料成形工藝的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)復(fù)雜成形技術(shù)提供 可靠的支持，在材料的加工領(lǐng)域里面有不可取代的作用。早期使用橡皮泥，鉛塊， 石蠟等塑性較好的材料來進(jìn)行復(fù)雜成形過程的模擬，以提供合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，這 種方法浪費(fèi)大，時(shí)間長，效率較低，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前更多的模擬同 在在電腦上進(jìn)行，先在熱物理模擬機(jī)上進(jìn)行的簡(jiǎn)單的模擬，得到材料的性能參數(shù)， 然后在電腦上利用專門的商業(yè)軟件進(jìn)行模擬，這樣不僅花費(fèi)小，開發(fā)周期短，而 且可以使材料的數(shù)據(jù)得到最大的用途。因此，熱物理模擬設(shè)備的發(fā)展對(duì)物理模擬 的進(jìn)步有著舉足輕重的作用。關(guān)鍵詞：物理模擬，熱物理模擬機(jī)，Gleebl

2、e前言“物理模擬”是一個(gè)內(nèi)涵十分豐富的廣義概念，也是一種重要的科學(xué)方法和 工程手段。通常，“物理模擬”是指縮小或放大比例，或簡(jiǎn)化條件，或待用材料， 用實(shí)驗(yàn)的模型來代替原型的研究。對(duì)材料和熱加工工藝來說，物理模擬通常指利 用小試樣，借助某種實(shí)驗(yàn)裝置在線材料制備或熱加工過程中受熱火受力的物理過 程，充分而準(zhǔn)確的揭示材料或工件在制備和熱加工過程中的組織和性能變化規(guī)律， 用這些來評(píng)定或預(yù)測(cè)材料制備或加工過程中可能出現(xiàn)的問題，為制定合理的加工 工藝和參數(shù)，以及研制新材料提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。物理實(shí)驗(yàn)可以分為以下 兩種，一種是在模擬過程中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，另一種是模擬完成后進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。以往我們?cè)谶M(jìn)行科學(xué)研究或

3、者工件的生產(chǎn)過程，為評(píng)價(jià)工藝方案對(duì)材料性能 或產(chǎn)品質(zhì)量的影響，多采用實(shí)驗(yàn)的方法，這種簡(jiǎn)單直接的實(shí)驗(yàn)不僅僅要消耗大量 的時(shí)間，材料和金錢，而且得到結(jié)果僅僅能夠表示在該工藝下的結(jié)果，并不能對(duì) 其他工藝有太多的指導(dǎo)意義，因此我們必須在實(shí)驗(yàn)工藝和方法上進(jìn)行有一定的創(chuàng) 新和改造。近些年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，物理模擬，數(shù)值模 擬以及與模擬相關(guān)的專業(yè)軟件都有了長足的進(jìn)步，相關(guān)軟件在材料科學(xué)和工程領(lǐng) 域的運(yùn)用都取得了非常好的效果，材料學(xué)科的研究開始從“經(jīng)驗(yàn)”走向“科學(xué)”。 新模擬技術(shù)的應(yīng)用使得人們不僅可以對(duì)變形過程有了更加直觀的認(rèn)識(shí)，對(duì)模具的 設(shè)計(jì)參數(shù)好壞有了更加直觀的評(píng)價(jià)，為工藝的制定

4、和工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了更加 可靠的依據(jù)，從而大大減少了新產(chǎn)品和新材料的開發(fā)周期和開發(fā)費(fèi)用，降低了企 業(yè)的成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。熱物理模擬技術(shù)的發(fā)展概況1.1美國熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的發(fā)展Gleeble熱模擬機(jī)的發(fā)展世界上最早在材料和熱加工領(lǐng)域采用物理模擬技術(shù)的國家是美國。1946年， 美國紐約州倫塞勒工學(xué)院（即RPI）的Nippes教授和Savage博士根據(jù)第二次世 界大戰(zhàn)中美國制造艦艇的需要，為了研究熔焊規(guī)范對(duì)艦船用鋼板熱影響區(qū)缺口韌 性的影響，將閃光電阻焊機(jī)的電氣控制線路進(jìn)行了改裝，把“卻貝”式樣加持在 夾頭上，利用電阻加熱發(fā)，成功再現(xiàn)了所有要求的焊接熱循環(huán)，試樣溫度精度可 控制在20C以內(nèi)，這

5、是世界上第一臺(tái)利用電阻加熱的高溫延性裝置，以后演變 為著名的“Gleeble”實(shí)驗(yàn)機(jī)，并于1949年連續(xù)兩次在國際上發(fā)表了兩篇模擬焊 接熱影響區(qū)的文章。在1950-1959年期間，他們完善和改進(jìn)了抗干擾系統(tǒng)，并提 高了測(cè)溫和控溫精度，最終制得了第一臺(tái)較為滿意的Gleeble-500型熱模擬實(shí)驗(yàn) 機(jī)，不僅可以進(jìn)行熱循環(huán)模擬，還可以模擬應(yīng)力和應(yīng)變循環(huán)，應(yīng)用的范圍開始擴(kuò) 大到鍛造，軋制，鑄造，熱處理，凝固，相變等領(lǐng)域。1979年以后，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用以及測(cè)量系統(tǒng)和機(jī)械裝置的改進(jìn)， 不同功能的Gleeble熱/力模擬實(shí)驗(yàn)裝置不斷研發(fā)，如Gleeble-1000，1500，2000， 3200，

6、3500，3800等，模擬的精度和應(yīng)用水平得到了迅速的提高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制大規(guī)模地運(yùn)用在Gleeble，在之后一系列 機(jī)型中，添加了 Gleeble-1500D，3200D等，這些熱模擬機(jī)的智能化程度更高， 控制精度更加精細(xì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際情況，應(yīng)用較為廣泛。Gleeble3800 簡(jiǎn)介Gleeble3800熱/力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī)是美國DSI公司的產(chǎn)品，在物理模擬領(lǐng)域 具有廣泛的應(yīng)用。利用該設(shè)備可研究成分與各工藝參數(shù)對(duì)組織和性能的影響，用 于指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)工藝的制定，并有助于建立數(shù)學(xué)模型。文章將介紹 Gleeble3800熱/力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī)的幾個(gè)典型試驗(yàn)。包括不同溫度下

7、的單/多道 次壓縮變形試驗(yàn)、高溫?zé)峥s性試驗(yàn)、相轉(zhuǎn)變點(diǎn)試驗(yàn)、零強(qiáng)/低力試驗(yàn)、熔化和凝 固試驗(yàn)以及焊接HAZ模擬試驗(yàn)等。這些試驗(yàn)可用來解決連鑄（模鑄）、焊接、軋鋼 （鍛造、擠壓等）、熱處理和冷軋工藝中存在的一些問題。Gleeble3800獨(dú)創(chuàng)的電阻加熱系統(tǒng)能以10000C / s的速度加熱試樣，或保持 不變的穩(wěn)態(tài)溫度。高導(dǎo)熱率的夾具使Gleeble3800具有高速冷卻能力。另外選配 的淬火系統(tǒng)可以在試樣表面達(dá)到10000OC / s的冷卻速度。熱電偶為精確的控制 試樣溫度提供反饋數(shù)據(jù)。由于獨(dú)特的高速加熱方法，Gleeble系統(tǒng)比傳統(tǒng)的熔爐 加熱快310倍。Gleeble3800的機(jī)械系統(tǒng)是一個(gè)具有

8、20噸靜壓力和10t靜拉力的全集成液壓 伺服控制系統(tǒng)。最快達(dá)到2000mm / s的移動(dòng)速度，最大動(dòng)載荷可達(dá)8t。LVDT傳 感器、測(cè)力單元或非接觸激光膨脹儀提供反饋數(shù)據(jù)，確保機(jī)械測(cè)試過程的精確性 和重復(fù)性。Gleeble3800系統(tǒng)的核心是111型數(shù)字控制系統(tǒng)。通過數(shù)字控制閉環(huán)熱力學(xué)伺 服系統(tǒng)，提供了所有控制熱和機(jī)械測(cè)試所必須的信號(hào)。Gleeble3800可以完全計(jì) 算機(jī)操作，完全手動(dòng)操作，或二者的任意結(jié)合，為材料測(cè)試提供最大的靈活性。數(shù)字控制系統(tǒng)由基于視窗的工作站和控制臺(tái)內(nèi)的強(qiáng)有力的嵌入式處理器組 成。工作站為創(chuàng)建模擬程序、分析數(shù)據(jù)、編寫報(bào)告和展示文件提供了一個(gè)靈活的 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和多任務(wù)圖形

9、用戶界面。嵌入式處理器執(zhí)行測(cè)試和模擬程序，采集指定 變量的數(shù)據(jù)。這種設(shè)計(jì)使用戶能充分利用工作站的強(qiáng)大處理能力，即使在測(cè)試或 模擬中依然可以創(chuàng)建新的程序和分析數(shù)據(jù)。Gleeble3800系統(tǒng)有一套方便的工具軟件-QuikSim軟件，以命令和持續(xù)時(shí) 間的方式描述測(cè)試序列的每一動(dòng)作。QuikSim軟件允許用戶為熱和機(jī)械系統(tǒng)編制 任意工作軌跡。為編制更精細(xì)的測(cè)試程序，還有形變控制軟件和Gleeble腳本語 言可以選用。1.2蘇聯(lián)，日本等其他國家的熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的發(fā)展前蘇聯(lián)和日本從上個(gè)世紀(jì)50年代開始了熱物理模擬技術(shù)的研究以及實(shí)驗(yàn)裝 置的研發(fā)工作。50年代中期，前蘇聯(lián)的A.A.鮑依柯夫冶金研究所研制成功了

10、 WMET-1型熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)，采用直接給試樣家電，依靠自身電阻加熱。利用這些設(shè)備，他們 曾研究了焊接CCT圖。該裝置設(shè)有電磁式瞬間加載裝置，可完成高溫塑性，強(qiáng)度試驗(yàn)，其 后又采用自動(dòng)程序控制，改裝成了具有應(yīng)力應(yīng)變模擬功能的復(fù)合型熱/力模擬設(shè)備。其后研 制的MMET-2型用于研究金屬在焊接結(jié)晶過程中的變形抗力和熱裂紋敏感性，MMET-4型 用于研究延遲破壞的冷裂紋敏感性，MMET-6型小型快速膨脹儀。隨著前蘇聯(lián)的解體，俄羅 斯的熱模擬設(shè)備研究開始沒落，目前僅有在烏克蘭的巴東電焊研究所仍然在熱模擬實(shí)驗(yàn)裝置 上進(jìn)行開發(fā)。與美國和前蘇聯(lián)不同的是，日本在加熱方式上選擇高頻電感應(yīng)加熱方式。日本在加熱方 式

11、上采用在試樣周圍套上感應(yīng)圈，利用試樣中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的熱效應(yīng)完成加熱。日本較為 先進(jìn)的熱模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的典型代表為Thermorestor-Z型高溫變形熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)以及Thermorestor-W焊接熱應(yīng)力應(yīng)變裝置。此外，日本富士電波工機(jī)株式會(huì)社還研制了全自動(dòng) 變態(tài)記錄測(cè)定儀Formastor-F和Formastor-Press，其中Formastor-Press主要應(yīng)用于壓力 加工工藝的模擬。英國在彈塑性斷裂力學(xué)COD實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)化之后，其熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)設(shè)備具有功率大的 特點(diǎn)，如英國中央發(fā)電局（CEGB）的容量為200KVA電阻加熱式，加載能力為10t的液壓 拉神模擬機(jī)是70年代世界上功率最大的

12、設(shè)備之一。法國是世界上在熱模擬試驗(yàn)機(jī)商采用電 子計(jì)算機(jī)最早的國家，同時(shí)在模擬扭轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)方面做有成效。其他國家在上個(gè)世紀(jì)也在熱模 擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上面做了大量的工作，仿制或研制了大量的設(shè)備。熱物理模擬為了保證模擬的精度，不僅需要在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行一系列的改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)方法 和測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)還要求建立標(biāo)準(zhǔn)的模擬試樣標(biāo)準(zhǔn)和模擬程序標(biāo)準(zhǔn)。1.3國內(nèi)熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的發(fā)展中國是世界上開發(fā)應(yīng)用物理模擬技術(shù)極有成效的國家之一，從上個(gè)世紀(jì)60 年代初就開始了熱物理模擬技術(shù)的研究，并研制了一批熱物理模擬實(shí)驗(yàn)裝備。哈爾濱工業(yè)工業(yè)大學(xué)吧容量為75KVA的接觸焊機(jī)進(jìn)行改裝，叫交流變壓器 多抽頭變檔來改變加熱速率，用多對(duì)鉑銠-鉑熱

13、電偶測(cè)量與控制溫度，并配以可 調(diào)型拘束，他不但可以模擬焊接熱循環(huán)，焊接熱應(yīng)變循環(huán)，在經(jīng)過幾次改進(jìn)之后， 該設(shè)備一直使用到1983年。同時(shí)期，天津大學(xué)也將電阻焊機(jī)改裝，并使用氣動(dòng) 夾具加持工件，用八波示波器記錄溫度，用于模擬焊接熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，冶金部鋼鐵 研究總院用25kw對(duì)焊機(jī)變壓器作為加熱熱源，研制了土倫水阻控制器試樣加熱 速度，用儲(chǔ)能點(diǎn)焊機(jī)將鉑銠-鉑熱電偶焊接在試樣上，用八波示波器記錄熱循環(huán) 曲線，成功進(jìn)行了熱循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用于鐵素體不銹鋼可焊性研究上，并取 得了良好的效果。沈陽金屬研究所研制的熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)吸收了蘇聯(lián)，捷克等國家 模擬機(jī)的特點(diǎn)，在60年代國內(nèi)自制的機(jī)型中性能算是較為先進(jìn)的裝

14、置之一。1963-1965年，冶金鋼鐵研究總院，北京冶金儀表廠和上海新業(yè)電工機(jī)械廠 等單位，先后按照蘇聯(lián)圖紙仿制了五臺(tái)MMET-1型熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)，并在1970年 后對(duì)這些設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造。特別是鋼鐵研究總院，在仿制MMET-1基礎(chǔ) 上，綜合了英美等國家熱模擬設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)并試制了 HRJ-2型熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)， 采用定點(diǎn)分段電子程序控制，并對(duì)試樣水冷卡頭也重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，1979年通 過冶金部鑒定。1981年，哈爾濱焊接研究所研制成功了功率為200kW的的HRM-1型熱模擬 實(shí)驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備利用光電函數(shù)發(fā)生器給定，電子程序控制。1985-1987年，洛陽 船舶材料研究所先后研制成功了 CKR-2型DM-100型焊接熱模擬機(jī)。1996年，洛 陽船舶材料研究所成功研制了 DM-100A型熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)，相對(duì)于DM-100，加熱 精度及運(yùn)行靈活性，可靠性都進(jìn)一步增強(qiáng)。隨著近些年我國與國際的接軌，國外的先進(jìn)熱模擬機(jī)開始走進(jìn)中國，主要以 日本富士電波工機(jī)株式會(huì)社的Thermorestor系列和美國DSI公司的gleeb