建立了一個三維真空熱處理爐的非線性有限元模型，該模型的熱源是電流通過加熱體產(chǎn)生的焦耳熱，傳熱途徑主要考慮了加熱體與內(nèi)屏蔽層間、各屏蔽層之間的非線性輻射傳熱。利用有限元軟件ANSYS 對真空熱處理爐加熱過程中的瞬態(tài)溫度場進(jìn)行了模擬計算，得到了熱電偶溫度隨時間的變化曲線，并與實驗結(jié)果進(jìn)行了比較，討論了進(jìn)一步提高計算準(zhǔn)確性的途徑。

　　真空焊接是在真空條件下對工件進(jìn)行加熱，此過程以輻射傳熱方式為主，真空加熱具有在別的介質(zhì)(大氣、可控氣氛、鹽浴)中加熱時不具備的特點。因為，一般的加熱實際上不能夠在廣泛的溫度范圍和普遍的條件下都完全保持金屬熾熱表面與氣氛碳勢嚴(yán)格平衡和不起任何化學(xué)反應(yīng)(氧化、脫碳、增碳、浸蝕等)，而真空加熱是在極稀薄的氣氛中進(jìn)行的，避免了上述一般加熱的弊病。

　　零件真空焊接后質(zhì)量好壞取決于真空焊接工藝參數(shù)的選擇，如加熱溫度、保溫時間和真空度等。傳統(tǒng)的研究方法是采用實驗來探索合適的真空焊接工藝參數(shù)，這種方法雖然簡單易行，但卻需要進(jìn)行大量的實驗，具有一定的盲目性，且耗費大量的人力、物力和時間。通過數(shù)值模擬，我們可以建立真空焊接過程溫度場和真空焊接工藝參數(shù)的定量關(guān)系，并通過少量的驗證性實驗證明數(shù)值模擬方法在真空焊接過程中的適用性，大量的工藝參數(shù)篩選工作就可以在計算機(jī)上完成，它能夠顯著地提高效率，降低生產(chǎn)成本。這對正確地選擇真空焊接工藝參數(shù)，指導(dǎo)實際生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

　　本文將建立一個真空熱處理爐的三維有限元模型，并通過ANSYS 軟件對其輻射傳熱熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

1、計算模型和方法

　　1.1、熱量傳遞的基本公式

　　熱量傳遞有三種基本方式，即熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射。

　　考慮物體溫度隨時間而變(非穩(wěn)態(tài)問題)，并且內(nèi)部具有熱源。在直角坐標(biāo)系下，熱傳導(dǎo)方程為：

2、計算結(jié)果

　　在加熱鉬絲上加載如圖3 的加熱功率曲線后，得到金屬塊(用于模擬熱電偶)上計算的溫度隨時間的變化，作為對比，圖上給出了測量得到的溫度隨時間的變化曲線。

圖3 計算和測量的溫度隨時間變化曲線

　　圖4 顯示了在保溫階段加熱鉬絲、金屬隔熱屏各層間的溫度分布情況。從圖中可以看出，由于熱傳導(dǎo)，加熱鉬絲、各金屬隔熱屏上的溫度是均勻的，但鉬絲上溫度比其它各部分的溫度高得多，這也是熱輻射的需要。

圖4 有限元法計算的溫度分布云圖

3、結(jié)論

　　計算和測量溫度的變化范圍和趨勢基本保持一致，說明計算模型和計算過程基本是正確的，可以為實際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

　　下一步的工作是提高計算的準(zhǔn)確度和建立更符合實際的計算模型，其中包括：

　　● 平滑加熱絲兩端的電壓電流和加熱絲功率的準(zhǔn)確確定。

　　● 各種材料輻射率的準(zhǔn)確確定。

　　● 隔熱屏的厚度會影響熱容量，導(dǎo)致溫度延遲，要求有準(zhǔn)確值。

　　● 考慮其它形式的熱損失(如連接部分的熱傳導(dǎo)引起的熱損失，約10%~15%左右)。

　　● 數(shù)值計算的精度和收斂性。