CN115220365A - 一种基于apdl的热塑性成形均匀温度控制仿真方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于APDL的热塑性成形均匀温度控制仿真方法，包括：根据物理模型和材料属性在ANSYS软件中进行三维建模，利用ADPL命令流生成矩形网格进行划分，得到有限元模型，对有限元模型施加载荷和边界条件，配置有限元模型的初始温度，对ANSYS软件内的仿真总时间和每个载荷步的时间进行设置，仿真初始时在升温前期过程中进行全功率升温，使得温度场接近材料塑形所需温度，温度场达到材料塑性所需温度后，根据区域对流换热条件的不同将有限元模型分为五个区域，每个区域设置不同的分布式PI参数，确定温度场的温度均匀控制。通过上述，实施本公开的技术方案可在热塑性成形的温度控制系统仿真上实现良好的均温控制效果。

Description

一种基于APDL的热塑性成形均匀温度控制仿真方法

技术领域

本公开涉及料热塑性成形技术的领域，特别是热成形温度系统的温度场有限元仿真和温度控制仿真，具体涉及一种基于APDL的热塑性成形均匀温度控制仿真方法。

背景技术

塑性是金属所具备的一个重要的特性，是指金属在受到外力的作用下，能够不被损伤并且永久地改变原本形状的能力。这是金属表现出的超过一般塑性指标的特性，是某些金属或者合金在特定加工条件下所呈现出的低强度和大伸长率的一种金属特性。由于该项技术的优势突出，热塑性成形技术被更加广泛地应用到机械加工领域，尤其是航空航天领域。随着高性能、难成形的金属材料在航空航天制造领域中应用的越来越多，热塑性成形技术已经成为制造复杂、大型、精密的薄壁制件以及难成形材料加工的重要方法。同时，对更大尺寸的加热平台、更精确均匀的温度控制提出了要求。因此，开展热成形温度系统的温度场有限元仿真和温度控制仿真很有必要。

现有的在材料热成形温度控制仿真方面的技术方案大致分为两大类：

一类是借助MATLAB等数据分析工具，理论推算温度系统的系统传递函数，在Simulink中搭建系统模型。利用Simulink工具箱中模块工具施加反馈控制，达到温度控制；或是分析系统的零极点分布，通过改造传递函数设计控制器来优化温度系统；或是借助解耦控制理论，给系统中引入前馈控制等实现温度场间或者多种场的解耦均温控制。验证方法均是观察温度曲线的上升时间、超调量和响应时间来判断仿真的优劣。

另一类是借助有限元软件如ANSYS、ABAQUS等，绘制温度系统、受热体的三维模型，赋予材料属性、施加载荷、设置边界条件、配置仿真时步等，得到在特定载荷、条件下的瞬/稳态热分布，通过直观的三维图像方式呈现温度场。

但是，现有技术还存在以下缺陷：

对于MATLAB系统函数求解方法，模型的精度严重依赖于对物理对象的系统函数辨识，多数情况下得到都是简化后的模型，与实际的物理对象相差很大。同时温度系统的温度场是温度关于空间的时变函数，有很强的空间分布特点，而用SIMULINK仿真很难像有限元分析网格划分后一样得到细化的数值结果。

对于单使用有限元软件的方法，由于目前软件功能的局限性，仅能够得到固定载荷下稳态或者瞬态温度场分布，而无法根据某个载荷步的温度分布进行反馈控制，所以无法对温度控制进行仿真，更难以实现均温控制。

发明内容

针对上述存在的问题，本公开的目的在于提供一种基于APDL的热塑性成形均匀温度控制仿真方法，实现在有限元仿真软件下的均匀温度控制。

为实现上述目的，本公开提供了一种基于APDL的热塑性成形均匀温度控制仿真方法，包括以下步骤：

根据温度控制系统设备的物理模型和材料属性在ANSYS软件中进行三维建模，并利用ADPL命令流生成矩形网格进行划分，得到有限元模型；

对所述有限元模型施加载荷和边界条件，并配置所述有限元模型的初始温度，所述ANSYS软件自动解算所述有限元模型在初始温度、热功率和热对流下的温度场的分布；

对所述ANSYS软件内的仿真总时间和每个载荷步的时间进行设置，仿真初始时在升温前期过程中进行全功率升温，使得所述温度场接近材料塑形所需温度；

所述温度场达到材料塑性所需温度后，根据区域对流换热条件的不同将所述有限元模型分为五个区域，每个区域设置不同的分布式PI参数，确定所述温度场的温度均匀控制。

可选的，所述温度控制系统设备的物理模型为六面体单元的矩形体。

可选的，所述材料属性包括比热容、密度和导热系数。

可选的，所述对所述有限元模型施加载荷和边界条件，包括：根据实际的热功率输入，将加热的热流密度与外界受到的空气对流的对流换热系数施加到有限元模型上。

可选的，所述仿真初始时在升温前期过程中进行全功率升温，包括：在所述仿真初始时设置加热的热流密度为实际温度控制系统设备加热管的最大功率。

可选的，所述根据区域对流换热条件的不同将所述有限元模型分为五个区域，每个区域设置不同的分布式PI参数确定所述温度场的温度均匀控制，包括：

配置五个PI控制器各自的比例控制环系数和积分控制环节系数，设置PI控制的载荷步时长；

在每个载荷步中，获取各区域当前温度值，导入到各自PI控制器中通过所述ANSYS软件求解该载荷步加热管的热流密度控制量，并对该热流密度进行限幅，通过单步仿真获取该载荷步的温度场分布；

检测到各区域内所述载荷步的温度场分布的温度是否已达到均温，如没有达到均温返回上层，重新通过单步仿真获取该载荷步的温度场分布；如达到均温，即可完成仿真并输出分段分布式PI控制下的温度场分布。

本公开的有益效果是：本公开提供的基于APDL的热塑性成形均匀温度控制仿真方法，实现在有限元仿真软件下的均匀温度控制。通过在ANSYS软件中使用APDL命令流仿真超塑成形加热系统，可以进行温度反馈控制，通过观察温度场的均匀程度来方便验证温度控制算法的有效性，为进一步优化设计提供了依据；设计分段分布式PI控制法，在热塑性成形的温度控制系统仿真上实现良好的均温控制效果。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1为基于APDL的热塑性成形均匀温度控制仿真方法的流程图；

图2为均温控制后的温度场分布；

图3为均温控制后的各区域总体温度曲线图；

图4为均温控制后的各区域分布式PI控制的温度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

有限元温度场建模合理性的推导与分析通常情况下，对于实体模型的温度场数值求解都会借助于大型通用技术模拟软件，其中ANSYS软件在相关问题的求解和模拟仿真被科研和工程技术人员广泛使用。ANSYS软件以有限元分析为基础，广泛应用于求解结构、热、流体、电磁、声学等多物理场及多场耦合的线性或非线性问题。ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式，此外还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。但是仅依靠ANSYS WORKBENCH图形化有限元分析软件，仅能够得到固定载荷下稳态或者瞬态温度场分布，而无法根据某个载荷步的温度分布进行反馈控制，必须依靠APDL命令流实现。

APDL是一种类似FORTRAN的编程语言，具有通用程序语言的功能。利用APDL的程序语言和宏技术对ANSYS有限元分析命令进行组织和管理，可以实现参数化建模、加载、求解和参数化后处理，有助于实现参数化有限元分析的整体流程。在参数化分析过程中，可以对参数进行简单的修改，从而可以对各种设计方案或序列产品的各种尺寸和载荷进行重复分析，大大提高了设计分析效率。

实施例1：

一种基于APDL的热塑性成形均匀温度控制仿真方法，包括以下步骤：

S1，根据温度控制系统设备的物理模型和材料属性在ANSYS软件中进行三维建模，利用ADPL命令流生成矩形网格进行划分，得到有限元模型；

S2，对有限元模型施加载荷和边界条件，并配置有限元模型的初始温度，ANSYS软件自动解算有限元模型在初始温度、热功率和热对流下的温度场的分布；

S3，对ANSYS软件内的仿真总时间和每个载荷步的时间进行设置，同时仿真初始时在升温前期过程中进行全功率升温，使得温度场接近材料塑形所需温度；

S4，温度场达到材料塑性所需温度后，根据区域对流换热条件的不同将有限元模型分为五个区域，每个区域设置不同的分布式PI参数，确定温度场的温度均匀控制。

可依照温度控制系统设备的物理模型进行三维建模，并按照材料属性的比热容、密度、导热系数等进行材料参数赋予，在APDL中选取合适实体模型和网格进行划分。之后设置与外界的边界换热对流条件，配置仿真步长，最后运行本公开中的分段分布式PI控制法。

通过在ANSYS中使用APDL命令流仿真热塑成形加热系统，可以进行ANSYSWORKBENCH所不具备的温度反馈控制，通过观察温度场的均匀程度来方便验证解耦控制算法的有效性，为进一步优化设计提供了依据。

PI参数为PI控制器的参数，PI控制器采用比例积分控制器，包括比例控制环节系数和积分控制环节系数。

实施例2：

请参阅图1至图4，:一种基于APDL的热塑性成形均匀温度控制仿真方法，包括以下步骤：

设置材料属性、建立三维模型、网格划分：

依照温度控制系统设备的物理模型在ANSYS软件中进行三维建模，并按照铸铁材料的比热容、密度和导热系数进行材料参数赋予，在ANSYS软件中利用ADPL命令流生成矩形网格进行划分，选取网格大小需要的综合精度和计算速度，得到有限元模型；

载荷、边界条件与时步设置：

为得到每个载荷步的温度场分布，首先确定仿真总体上是瞬态热仿真；对温度控制系统设备受热分析，可得知热源为自身的加热管，散热是外界的空气对流，然后根据实际的热功率输入，将加热的热流密度与外界受到的空气对流的对流换热系数施加到有限元模型上，并配置有限元模型的初始温度，最后对仿真时间和仿真步长进行设置，ANSYS软件自动解算有限元模型在初始温度、热功率和热对流下温度场的分布；

分段分布式PI控制法：

全功率升温段：在ANSYS软件仿真初始时，在升温前期过程中进行全功率升温，设置加热的热流密度为实际温度控制系统设备加热管的最大功率，这样温度场的平均温度能以最快的速度接近热成型所需的温度；

分布式PI参数段：根据区域对流换热条件的不同将有限元模型分为五个区域，每个区域设置不同的PI控制参数，以实现温度场的温度均匀控制；

a)配置五个PI控制器各自的比例控制环系数k_p和积分控制环节系数k_i，设置PI控制的载荷步时长，该比例控制环系数k_p和积分控制环节系数k_i参数已经过实际经验和大量仿真实验确定，可以使得各自的控制加热区域快响应、无超调、低稳态误差地达到温度稳定；

b)在每个载荷步中，首先获取各区域当前温度值，导入到各自PI控制器中通过ANSYS软件求解该载荷步加热管的热流密度控制量，并对该热流密度进行限幅，通过单步仿真获取该载荷步的温度场分布；

c)检测到各区域内载荷步的温度场分布的温度是否已达到均温，如没有达到均温返回上层，重新过单步仿真获取该载荷步的温度场分布；如达到均温，即可完成仿真并输出分段分布式PI控制下的温度场分布。

由材料的塑性特点可知，热成形设备足够的压力和温度使材料到达塑性区间，这就需要一种压力加热设备完成整个施压、升温、吹塑、冷却的工艺过程。温度控制系统设备一般可采用电阻加热方式，分为上下表面的加热板与中间加热区空腔两部分，整体呈长方体，整个温度控制系统设备的热源为铸铁结构中的电阻式加热管。为了达到加热均匀性，加热板通常分为各个加热区，每个加热区内的管路都单独进行温度控制。其中，温度控制系统设备的物理模型为六面体单元的矩形体。

本公开通过在ANSYS中使用APDL命令流仿真超塑成形加热系统，可以进行ANSYSWORKBENCH所不具备的温度反馈控制，通过观察温度场的均匀程度来方便验证温度控制算法的有效性，为进一步优化设计提供了依据；同时设计分段分布式PI控制法，在热塑性成形的温度控制系统仿真上实现良好的均温控制效果。

具体操作：

(1)设置材料属性、建立三维模型、网格划分

用ET指令选用SOLID70模型，MP指令配置铸铁材料的导热系数、密度和比热容；由于温度控制系统设备的物理模型为矩形体，可直接用BLOCK指令生成模型。由于选用SOLID70为六面体单元，所以可利用ESIZE生成矩形网格进行划分，选取网格大小需要综合精度和计算速度。

(2)载荷、边界条件与时步设置

为得到每个载荷步的温度分布，需要设置“ANTYPE，TRANS”为瞬态热分析；根据实际的热功率输入，用BFE指令将热流密度施加到单元上，IC指令配置整个模型的初始温度条件，在*DO循环中给整个温度系统的表面施加SFA与外界空气的对流换热。最后设置仿真时间TIME、仿真步长DELTIM，就可使用SOLVE进行求解。

(3)分段分布式PI控制法

总体来说本方法采取的策略是“先分段、后分布”的控制策略。“分段”指的是在前期升温过程时，为尽快接近材料塑形所需温度，此时所有加热区块全功率升温，接近后进入到分布式控制策略。“分布”指的是对于一个大尺寸的矩形体温度系统，各个区域的对流换热面积不一定相同，则各个区域也会有不同的系统传递函数，所以不能用单一的控制策略去调控整体。所以根据区域对流换热条件的不同将系统分为五种区域，每个区域设置不同的PI控制参数，以实现温度的均匀控制。恒功率升温过程在上述操作中已总结，分布式PI控制具体操作如下：

①选中单元节点

ADPL中，BFE指令可以对单元温度控制，可以用*GET指令获取节点温度，然而单元上的节点分布编号没有规律。可用ESEL指令选中指定单元，依次用NSLE、NSEL可以选中指定X、Y坐标的节点。这样就可以用*GET指令读取指定温度控制单元的节点温度。

②PI参数设置

设置变量KPx、Kix、STEMP存储PI参数和均温温度，TEMPERRx存储目标值和设定值误差，LJTEMPERRx存储误差的累计值，则在PI控制下的热功率WSET为：

WSET＝KPx*TEMPERRx+KIx*LJTEMPERRx

根据仿真结果的温度曲线，依照工程经验依次调节所有PI控制器的KPx值和Kix值，直至所有曲线有良好的响应特性。

③分布式PI控制流程

在每个载荷步中，*DO循环控制每个温度区域，按照①方法获取节点温度，按照②方法进行PI控制，同时*IF指令对热功率的上下限进行限幅。最后进行SOLVE求解，SAVE保存，设置时间TIME进行下一个载荷步。

④后处理

/POST1指令进入后处理，PLNSOL指令来显示指定载荷步的温度场分布，本设计的均温效果如图2所示，可以看到在中心区域标注温差为10.5℃，可参考图3温度曲线得知，中心内部均温区实际温差不超过2℃。/POST26指令进入时间后处理，利用PLVAR指令来显示需要观察节点的温度曲线。

本发明与现有技术相比，其优点在于：

1、在ANSYS软件中利用ADPL命令流实现均匀温度控制，且应用本技术设计的分段分布式PI控制法最终实现均温区内温差小于2℃；

2、可以实时显示每个载荷步下的所有数据，包括温度场分布、控制器策略，与真实温度系统贴合十分紧密，能够同步预测、指导热塑性成形系统的温度控制。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (6)

1.一种基于APDL的热塑性成形均匀温度控制仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据温度控制系统设备的物理模型和材料属性在ANSYS软件中进行三维建模，并利用ADPL命令流生成矩形网格进行划分，得到有限元模型；

对所述有限元模型施加载荷和边界条件，并配置所述有限元模型的初始温度，所述ANSYS软件自动解算所述有限元模型在初始温度、热功率和热对流下的温度场的分布；

对所述ANSYS软件内的仿真总时间和每个载荷步的时间进行设置，仿真初始时在升温前期过程中进行全功率升温，使得所述温度场接近材料塑形所需温度；

所述温度场达到材料塑性所需温度后，根据区域对流换热条件的不同将所述有限元模型分为五个区域，每个区域设置不同的分布式PI参数，确定所述温度场的温度均匀控制。

2.根据权利要求1所述的基于APDL的热塑性成形均匀温度控制仿真方法，其特征在于，所述温度控制系统设备的物理模型为六面体单元的矩形体。

3.根据权利要求1所述的基于APDL的热塑性成形均匀温度控制仿真方法，其特征在于，所述材料属性包括比热容、密度和导热系数。

4.根据权利要求1所述的基于APDL的热塑性成形均匀温度控制仿真方法，其特征在于，所述对所述有限元模型施加载荷和边界条件，包括：根据实际的热功率输入，将加热的热流密度与外界受到的空气对流的对流换热系数施加到有限元模型上。

5.根据权利要求1所述的基于APDL的热塑性成形均匀温度控制仿真方法，其特征在于，所述仿真初始时在升温前期过程中进行全功率升温，包括：在所述仿真初始时设置加热的热流密度为实际温度控制系统设备加热管的最大功率。

6.根据权利要求1所述的基于APDL的热塑性成形均匀温度控制仿真方法，其特征在于，所述根据区域对流换热条件的不同将所述有限元模型分为五个区域，每个区域设置不同的分布式PI参数，确定所述温度场的温度均匀控制，包括：

配置五个PI控制器各自的比例控制环系数和积分控制环节系数，设置PI控制的载荷步时长；

在每个载荷步中，获取各区域当前温度值，导入到各自PI控制器中通过所述ANSYS软件求解该载荷步加热管的热流密度控制量，并对该热流密度进行限幅，通过单步仿真获取该载荷步的温度场分布；

检测到各区域内所述载荷步的温度场分布的温度是否已达到均温，如没有达到均温返回上层，重新通过单步仿真获取该载荷步的温度场分布；如达到均温，即可完成仿真并输出分段分布式PI控制下的温度场分布。

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