本发明涉及真空钎焊，特别是涉及一种基于多物理场耦合仿真的板翅式换热器真空钎焊控温方法。
背景技术：
1、板翅式换热器作为保障空天、潜艇、航母等高端装备动力与环控系统可靠运行的关键部件，通常在高压、大载荷、强振动和高温腐蚀的极端环境下服役，因此要求其具有比重小、强度高、传热效率高、耐腐蚀等优点。板翅式换热器结构复杂，其制造涉及翅片成形、装配和钎焊等多个流程。高端板翅式换热器市场长期由国外品牌占据，国内在高效、高性能制造技术方面仍存在诸多挑战。
2、当前板翅式换热器生产存在的钎焊生产效率低的行业难题，特别是大尺寸钛合金板翅式换热器多层组合、层间自遮蔽结构特点，造成辐射传热效率低下、真空加热过程升温缓慢，钎焊生产周期长。同时真空钎焊炉内的物理化学变化较为复杂，涉及材料与炉体间的热对流及热辐射、钛合金板材的相变及热膨胀、钎料的润湿铺展及熔蚀等过程。在钎焊过程中，特别是钎缝附近易出现应力集中现象，这将直接影响接头的综合性能。若能了解钛合金板翅式换热器真空钎焊时的钎料流动过程，即可精准调控真空钎焊接头性能，实现真空钎焊工艺流程设计的参数化。
技术实现思路
1、针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种基于多物理场耦合仿真的板翅式换热器真空钎焊控温方法，以实现板翅式换热器钎焊过程温度场的高效、精准、均匀化控制。通过仿真求解板翅式换热器钎焊过程温度场、流场、应力应变场，基于红外/热电偶的双重连续温度监测方法搭建以实测温度为前馈控制的自适应温控模型，实现板翅式换热器的高效高可靠生产。
2、为了达到上述目的，本发明涉及一种基于多物理场耦合仿真的板翅式换热器真空钎焊控温方法，其具体内容为：
3、(1)板翅式换热器真空钎焊模型多物理场耦合模型建立：基于三维建模软件建立板翅式换热器三维几何模型，利用非均匀过渡性网格划分技术对板翅式换热器模型进行网格划分，建立板翅式换热器真空钎焊专用热源模型，设置真空钎焊边界条件，进而建立板翅式换热器真空钎焊过程三维瞬态模型；
4、(2)板翅式换热器真空钎焊模型多物理场耦合模型求解：基于精确插值方法提取板翅式换热器界面位置微小区域温度数据，基于并行嵌套剖分的预排序算法进行方程前推、后溯迭代精求以优化求解精度，结合有限元法和计算流体力学算法，实现板翅式换热器真空钎焊过程温度场、流场、应力应变场的精准求解，并基于仿真结果建立数据库；
5、(3)板翅式换热器真空钎焊控温方法：基于大尺寸钛合金板翅式换热器多层自遮蔽、层间点阵式接触等结构特点，在真空钎焊炉内设置红外传感器和热电偶，以实现钎焊过程中双重连续温度精准监测，对比分析多物理场耦合模型的计算值与实验值来修正热源模型及红外传感器的放大系数；
6、(4)板翅式换热器真空钎焊参数实时调控：基于预先设置的工艺参数，利用多物理场耦合模型计算温度场、流场、应力应变场，若发现板翅式换热器在焊接过程中出现温度分布不均匀、应力集中等问题，实时反馈至计算机，基于以实测温度为前馈控制的自适应温控算法调控焊接参数，以实现板翅式换热器温度场的高效、精准、均匀化控制。
7、优选地，步骤(1)所述的多物理场包含温度场、流场、应力应变场。在钎料熔池与周围材料之间，存在由于流体流动、固液相变以及流体与固体间热传导、热辐射导致的热传输现象，涉及热场、流场以及固体结构场等多物理场间的复杂耦合作用；钎料在热辐射作用下流动，钎料流动又进一步改变温度场分布，热场与流场间考虑双向耦合作用；板翅式换热器在温度升高的过程中产生热应力与热变形，但应力与变形几乎对温度场没有影响，只考虑热场对固体结构场的作用；板翅式换热器的热变形将影响钎料流动的边界，钎料流动对结构变形没有直接影响，流场与固体结构场间为单向耦合作用。
8、优选地，步骤(1)所述的非均匀过渡性网格划分技术为对翅片网格、钎料层流体计算域网格进行细化，特别是钎缝处易出现应力集中，需要对该处网格进一步细化。加热带仅参与温度场计算，其网格可适当粗化，以减少网格数量及自由度数。
9、优选地，步骤(1)所述的多物理场耦合模型考虑液-固相转变及传热传质现象，并在计算过程中考虑钎料受热熔化流动带来的影响；计算域包含固体域和流体域，其中固体域为翅片结构与隔板部分，流体域为膏状钎料以及液态钎料，并设置翅片结构与隔板部分边界为壁面边界条件。
10、优选地，步骤(1)所述的真空钎焊炉中主要发生的传热过程为加热带与工件表面间的热辐射以及工件内部的热传导，将加热带热源功率折算为热耗率加载至几何模型上，引入下式作为事件接口实现实际真空钎焊炉的温度实时调控功能：
11、
12、pw＝ηui·o
13、式中，pw为热源功率，η为热源效率，u为真空炉电压，i为真空炉电流，o为状态系数，当计算域温度低于设定温度时置为1，高于设定温度时置为0。
14、优选地，步骤(1)所述真空钎焊边界条件为将加热带外部与对称面设置为热绝缘边界。加热带与工件表面之间的热辐射传热可由下式表示：
15、
16、式中，q为单位曲面面积的辐射热流；ε为表面辐射率；σ为stefan-boltzmann常量；θ为温度。板翅式换热器封闭通道内的空腔辐射，即不仅只考虑曲面自身的热吸收或热释放，而且考虑了有限空间内曲面之间的热反射，是曲面间的辐射热交互作用，可由下式表示：
17、
18、式中的f为曲面视角因数，它与两曲面的距离和法线方向有关；c则为曲面反射矩阵。
19、优选地，步骤(2)所述的板翅式换热器真空钎焊模型多物理场耦合模型求解实现方法为：将传热分析得到的温度变化作为热载荷导入到结构分析中，由夹具施加的压力均匀分布在结构的上表面，由结构的热弹塑性响应，则可得到结构残余应力分布及热变形。
20、优选地，步骤(3)所述的板翅式换热器钎焊过程双重连续温度精准监测方法为：根据板翅式换热器多层自遮蔽、层间点阵式接触等结构特点，在板翅式换热器不同交叉位置、顶点位置预埋接触式热电偶，实现不同节点的实时温度测量，采用红外测温仪对外部整体温度变化情况进行实时温度监测与关键点数据采集，实现对整体结构升温过程的多点精准测量。结合双热源模拟的规律，分析点阵式电阻生热热传导规律，调控电流等关键工艺参数，对热分布、热峰值、热循环等进行测量与统计，采用数学统计软件design expert建立以温度为前馈控制的自适应温控算法，实现温度场的高效、精准、均匀化控制，为双热源真空钎焊样机研制提供技术支撑。
21、优选地，步骤(3)所述的修正红外传感器的放大系数具体方法为：将红外测温传感器置于加热带平面，以避传感器接受加热带辐射，仅接受工件表面发射和反射的二次辐射，红外测温传感器的测温信号用下式表示：
22、
23、式中，i为红外测温传感器表面的辐射热效应，k为放大系数，lrad、lref分别为工件发射和反射的表面辐射度。
24、优选地，步骤(4)所述的板翅式换热器真空钎焊参数实时调控方法为：在焊接前，将热电偶贴在待焊板材上，并将红外设备对准待焊区域，焊接过程中通过上述双重连续温度监测技术，实时监测焊接过程的温度场，将其数字化后输入处理器中，处理器中搭载了温度场数据库系统，自适应温控算法会结合实测温度及数据库内部数据，判断当前温度下是否可以获得较好的焊接接头，若不可，则会发送电信号给真空钎焊炉，真空钎焊炉会根据两种热源的温度适应调控技术对当前机器人及焊接参数进行调整进而控制焊接温度，以便达到更好的焊接效果。
25、本发明的有益效果：针对板翅式换热器成品率较低、残余应力及变形较大的问题，建立板翅换热器钎焊过程多物理场耦合模型并实现对钎焊工艺参数进行优化，开发红外/热电偶的双重连续温度监测技术，建立以实测温度为前馈控制的自适应温控算法，实现温度场的高效、精准、均匀化控制，从而提高钛合金板翅式换热器的连接强度，确保板翅式换热器在服役过程中的可靠性。
1.一种基于多物理场耦合仿真的板翅式换热器真空钎焊控温方法，所述多物理场包括温度场、流场、应力应变场，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于多物理场耦合仿真的板翅式换热器可靠钎焊控温方法，其特征在于，在钎料熔池与周围材料之间，存在由于流体流动、固液相变以及流体与固体间热传导、热辐射导致的热传输现象，涉及热场、流场以及固体结构场等多物理场间的复杂耦合作用；钎料在热辐射作用下流动，钎料流动又进一步改变温度场分布，热场与流场间考虑双向耦合作用；板翅式换热器在温度升高的过程中产生热应力与热变形，但应力与变形几乎对温度场没有影响，只考虑热场对固体结构场的作用；板翅式换热器的热变形将影响钎料流动的边界，钎料流动对结构变形没有直接影响，流场与固体结构场间为单向耦合作用。
3.根据权利要求1所述的一种基于多物理场耦合仿真的板翅式换热器真空钎焊控温方法，其特征在于，多物理场耦合模型考虑液-固相转变及传热传质现象，并在计算过程中考虑钎料受热熔化流动带来的影响；计算域包含固体域和流体域，其中固体域为翅片结构与隔板部分，流体域为膏状钎料以及液态钎料，并设置翅片结构与隔板部分边界为壁面边界条件。
4.根据权利要求1所述的一种基于多物理场耦合仿真的板翅式换热器真空钎焊控温方法，其特征在于，真空钎焊炉中主要发生的传热过程为加热带与工件表面间的热辐射以及工件内部的热传导，将加热带热源功率折算为热耗率加载至几何模型上，引入下式作为事件接口实现实际真空钎焊炉的温度实时调控功能：
5.根据权利要求1所述的一种基于多物理场耦合仿真的板翅式换热器真空钎焊控温方法，其特征在于，根据板翅式换热器多层自遮蔽、层间点阵式接触等结构特点，在板翅式换热器不同交叉位置、顶点位置预埋接触式热电偶，实现不同节点的实时温度测量，采用红外测温仪对外部整体温度变化情况进行实时温度监测与关键点数据采集，实现对整体结构升温过程的多点精准测量。
6.根据权利要求1所述的一种基于多物理场耦合仿真的板翅式换热器真空钎焊控温方法，其特征在于，将红外测温传感器置于加热带平面，以避传感器接受加热带辐射，仅接受工件表面发射和反射的二次辐射，红外测温传感器的测温信号用下式表示：
7.根据权利要求1所述的一种基于多物理场耦合仿真的板翅式换热器真空钎焊控温方法，其特征在于，结合仿真结果，对热分布、热峰值、热循环等进行测量与统计，建立以温度为前馈控制的自适应温控算法，实现温度场的高效、精准、均匀化控制。
