基于正交试验的硫化机热板温度场优化设计

针对平板硫化机工作时热板表面温差分布不均匀的问题,对电加热热板的温度分布均匀性进行了研究。应用ANSYS有限元软件建立了热板三维模型,采用正交试验法对热管排布间距和热传导温度场进行了分析及优化设计。结果显示,经优化后的热板表面温差为3.943℃,大大提高了产品硫化的效率和质量。最后通过试验验证了优化模拟的可靠性。     

恒温样品室温度场的影响因素分析及优化设计

恒温样品室的温度稳定性和均匀性是影响干式化学分析仪检测结果的重要因素.通过ANSYS软件,分别对目标区域平均温度和温度均方差进行单因素分析,并采用多元线性回归方法得到相应的数学模型,揭示了各个因素与温度场分布的内在规律.以目标区域的温度均方差为约束条件,以最小质量为优化目标,进行恒温样品室的优化设计.结果表明,该数学模型可以真实反映温度场分布特性与各个设计参数之间的关系,基于first-order方法的优化设计可以在满足温度场分布的要求下实现轻量化设计,为改善结构热性能提供了依据.     

紧凑型板壳式换热器导流结构优化设计

对于紧凑型板壳式换热器，导流结构的优化设计是至关重要的。对常用导流筒进行流体动力学分析，发现存在严重的物流分配不均现象。介绍了一种新的导流结构，流体动力学分析显示该结构可显著提高流体进入内筒的均匀性。将流体动力学分析与优化设计技术相结合，介绍了基于ANSYS—APDL的优化过程，以流体不均匀性最小为优化目标，建立合理的优化数学模型，获得最优化结构设计。     

高密度S形流道冷却板的优化设计

锂离子电池的最佳工作温度范围为0~40℃,且单体电池温度分布越均匀,工作性能越好;高密度S形流道冷却板被广泛应用于锂离子电池液冷的散热设备中,而在其散热过程中电池包存在温度分布不均的问题。为解决该问题,文中提出了在原S形流道的结构基础上设立了并联流道和设立分支流路的优化设计方案;利用三维建模软件建立各冷却板的几何模型,再使用FLUENT软件对各冷却板的散热模型进行仿真。结果证明两种经过优化的冷却板均温性都得到了有效提升,且流道设立分支流路的冷却板均温性最佳,达到了优化冷却板均温性的目的。     

燃料相体积分数对U-Mo/Al弥散型燃料板的铀分布均匀性影响

采用原有混合工艺对20%~30%燃料相体积分数的U-Mo微球和铝粉进行混合后,制备成燃料板,分析燃料板的铀分布均匀性,获得燃料相体积分数对铀分布均匀性的影响规律。燃料板的铀均匀性采用γ射线吸收法进行检测。检测结果表明,在20%~26%燃料相体积分数范围内铀分布均匀,当燃料相体积分数增加到28%以上时,铀分布均匀性逐渐变差。在此基础上,对原有混合工艺不适用的燃料相体积分数进行混合工艺参数优化。燃料相体积分数为28%和30%的混合工艺经优化后,铀分布均匀性得到显著提升。     

相关K分布法在氧气吸收被动测距中的应用

为快速、准确地解算氧气吸收被动测距技术中氧气吸收率所对应的路径长度,对该项技术中氧气吸收率与路径长度的数学模型进行了研究。首先证明了不同温度压强下氧气吸收系数分布的强相关性,给出了吸收系数分布随温度和压强的变化规律;其次利用相关K分布法和曲面地球模型建立了实际非均匀路径上氧气吸收率与路径长度的数学模型;最后对提出的模型进行了理论分析与实验验证。结果显示:本文数学模型不仅能够很好地适应不同大气模式的变化,而且能够快速、准确地计算出指定路径上的氧气吸收率曲线和目标距离;平均数学模型下的相对测距误差为4.4%,消除背景减小测量误差后数学模型解算距离的相对误差仅为1%。结论表明:利用相关K分布法建立的数学模型能够很好地解决氧气吸收被动测距技术中的距离反演问题,可为被动测距技术的进一步优化和应用提供理论支撑。     

喷雾冷却液滴换热特性研究

针对热镀锌合金化炉冷却段冷却效果不佳的问题,采用数值模拟的方法对喷雾冷却装置进行传热优化。建立了单喷嘴喷雾冷却系统的物理模型和数学模型,利用FLUENT软件对喷雾区非稳态雾化场和温度场进行仿真分析,探究不同条件下雾化场液滴的分布、液滴速度和液滴直径的分布规律以及在钢板冷却过程中壁面温度的分布特征。结果表明,在滞止点以外的喷雾区域,液滴的分布更加均匀,并且液滴速度也更大。从喷雾中心区域到边缘区域,液滴的平均直径在不断减小。壁面的温度分布呈非线性变化,随着时间的增加,温度不均匀性减小。本研究所得结论为喷雾冷却的具体应用提供了理论基础和技术指导。     

高强铝合金板轧制过程中应力分布规律的有限元分析

采用ANSYS软件进行高强铝合金板轧制过程数值模拟,分析了等效应和剪切应力沿合金板材的分布规律,探究了轧制工艺及板材厚度对应力分布的影响。研究表明,随着轧制温度的升高,等效应力和剪切应力减小,且温度较高时,等效应力和剪切应力的分布均匀;增加轧制道次有效提高应力分布的均匀性;板材厚度较小时,等效应力由心部到表面分布不均匀,影响铝合金板的性能。     

带式输送机改向滚筒辐板结构的优化设计

在ANSYS环境下基于拓扑优化理论,以结构最小应变能为目标,对带式输送机改向滚筒的辐板进行拓扑优化设计。然后基于拓扑优化结果设计辐板,再对其进行尺寸优化,在减轻结构质量的同时也降低结构挠度和均匀化结构应力,为今后带式输送机滚筒辐板的设计提供了理论上的参考依据。     

电极优化的PCR芯片及其扩增实验

对传统的蛇形加热电极结构进行了优化,提升PCR芯片反应的温度分布均匀性。设计了一种电极片可重复使用且和反应腔室片可分离的PCR芯片。利用红外热像测温仪对优化前后的电极片进行了温度场分布测量,结果表明优化后的加热电极在反应腔室范围内的温度均匀性小于1℃。与大型PCR仪的扩增实验结果对比表明,该PCR芯片实现了239 bp的DNA片段的高效扩增。     

Design and optimization of coil structure based on the uniformity of core temperature field

Coil structure size parameters during electromagnetic induction heating affect the temperature field and heating rate of a carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) shell. In this study, a finite element analysis model is established on the basis of a single-screw coil structure, and the influence of coil diameter, length, turns, and position relationship on the temperature field distribution and heating rate of the CFRP shell is studied. According to image entropy theory, the influence of coil structure size parameters on the uniformity of a temperature field distribution is analyzed. Furthermore, the accuracy of the coil structure size parameters with respect to temperature field variation is verified with a CFRP induction heating experiment. This study provides theoretical support and a verification method for the selection, design, and optimization of the coil structure size parameters of CFRP shells during induction heating.

     

Optimal design of medium channels for water-assisted rapid thermal cycle mold using multi-objective evolutionary algorithm and multi-attribute decision-making method

Rapid heat cycle molding technology developed recently is a novel polymer injection molding process. In this study, a new water-assisted rapid heat cycle molding (WRHCM) mold used for producing a large-size air-conditioning plastic panel was investigated. Aiming at improving heating efficiency and temperature distribution uniformity of the mold cavity surface, a two-stage optimization approach was proposed to determine the optimal design parameters of medium channels for the WRHCM mold. First of all, the non-dominated sorting genetic algorithm-II (NSGA-II) combined with surrogate models was employed to search the Pareto-optimal solutions. Subsequently, the Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution was adopted as a multi-attribute decision-making method to determine the best compromise solution from the Pareto set. Then, the layout of the medium channels for this air-conditioning panel WRHCM mold was optimized based on the developed optimization method. It was indicated that the heating efficiency and temperature distribution uniformity on the mold cavity surface were greatly improved by using the optimal design results. Furthermore, the effectiveness of the optimization method proposed in this study was validated by an industrial application.     

基于数值模拟和3D打印的热冲压模具随形水道设计制造研究*

针对传统热冲压模具深孔对钻冷却系统冷却不均的现象,基于热冲压过程的多场耦合传热理论,提出热冲压模具随形冷却系统设计方法。利用Star-ccm+软件对热冲压冷却淬火过程进行热流固耦合模拟。以自主研发的彩虹电动汽车B-柱模具镶块为研究对象,对传统深孔对钻和新提出多种随形设计方案进行了冷却模拟分析。根据模拟结果,比较分析了不同冷却方案的冷却效果,并提出B柱模具镶块纵向随形冷却水道的优化方案,分析了优化前、后模面温度场的变化。提出运用覆膜砂3D打印造型结合传统铸造工艺的方法,制造具有随形冷却水道的热冲压模具。通过对比五种方案发现,采用纵向随形设计的热冲压模具,与冷却最差的平行随形设计相比,模面最大温度降低47.4%,模面平均温度降低40.9%,模面温度均匀性提高1.8%。根据纵向随形水道设计流程,将水道形状和位置参数R、H、r作为优化参数,模面温度场作为优化目标,对纵向随形水道进行优化,结果显示,优化后模面最大温度下降了49.8%,模面平均温度下降了46.8%,模面温度标准偏差下降了67.5%,模面温度均匀性提高了1.9%。因此,采用随形冷却的热冲压模具,有效地提高了生产加工效率和使用寿命,改善了热冲压件的平均强度和组织与力学性能的均匀性。     

小尺度蒸发器的数值模拟及优化研究

为了使差示扫描量热仪中加热炉快速的从400℃以上的高温冷却到室温,设计了一套采用小尺度蒸发器的单级制冷系统。为保证冷却过程中蒸发器内部温度场的均匀性及冷却效果,利用CFD商业软件,对该蒸发器内部流体的温度场进行数值模拟,并对蒸发器表面温度进行了试验测量。试验结果表明,蒸发器内壁面温度达到设计要求(-35℃);蒸发器整体温度分布均匀,轴向温差小于1℃;模拟结果与试验测量结果基本吻合。在此基础上进一步对该蒸发器进行了优化设计,将其内壁面改为波纹面,采用波纹面的蒸发器与加热炉的换热空间内,被冷却空气的比例增大,空气出口温度明显降低,冷却效果增强。     

[成形过程仿真优化与集成计算材料工程]限定加热管布局的快速热循环注塑成形模具电加热系统优化

针对管道布局、最大允许能耗给定条件下快速热循环注塑成形（RHCM）注塑模具型腔表面快速均匀加热的问题，提出以单根加热棒热流密度为设计变量，以模具型腔表面升温效率和温度分布均匀性为目标，结合有限元模拟、响应面设计以及多目标粒子群优化技术来优化RHCM模具电加热系统。与优化前相比，加热系统优化后，模具型腔表面最大温差降低63.4%，加热系统总能耗降低9%。对比了不同注塑成形工艺条件下成形的平板塑件表面质量，结果表明，相对传统注塑成形（CIM）工艺，RHCM工艺将制品表面粗糙度Ra从320 nm降低到118 nm，并有效抑制了制品表面熔接痕、缩痕等缺陷；发现制品表面粗糙度与型腔表面对应点温度成负相关，说明优化后的型腔表面温度分布更有利于提升制品表面质量。     

CF/PEEK复合材料自阻电热原位膜混合加热固化方法

碳纤维增强聚醚醚酮树脂基(CF/PEEK)复合材料密度小、韧性强、疲劳强度高,且可循环使用,但PEEK树脂熔融温度高(>340 ℃)、熔融黏度大(>1000 Pa·s)、熔融烧蚀工艺温度窗口小,零件固化难度大。提出一种CF/PEEK树脂基复合材料自阻电热原位膜混合加热固化方法,结合有限元仿真,引入组合原位膜自适应地辅助加热制件。有限元仿真和实验研究结果证明了该方法的有效性：加热过程中相较纯自阻电热加热方法,制件温度均匀性提高了75%,结晶度提高了16.2%,实现了CF/PEEK树脂基复合材料的高效、均匀加热固化。     

面向布气均匀性的竖直式喷淋头布气系统优化设计

竖直式喷淋头布气系统在半导体工艺腔室类设备中广为采用,其布气均匀性是决定半导体工艺均匀性的关键因素之一。以布气均匀性为驱动,对竖直式喷淋头布气系统进行优化设计。在优化策略设计中为解决传统参数优化方法优化喷淋头多孔板面时需要预先确定拓扑结构、人为缩小参数空间造成系统分辨率低的问题,提出描述喷淋头多孔板面等效阻抗模型,将喷淋头板面小孔结构和布局的优化问题转换为喷淋头板面对气体流动的阻抗特性优化问题,进而建立了高分辨率的喷淋头板面阻抗分布优化模型。优化的喷淋头板面阻抗分布使得喷淋头的布气不均匀性(在N2质量流量1.041 7×10–4 kg/s、腔室压力266 Pa典型工艺条件下)由0.36%降低至0.03%。采用CFD数值试验对优化的竖直式喷淋头布气系统在入口气体质量流量 6.250 0×10–5～1.666 7×10–4 kg/s、腔室压力133～665 Pa的工艺范围内进行测试,结果表明：优化的喷淋头系统布气效果均优于对照的喷淋头系统,其布气不均匀性均好于0.35%。针对喷淋头板面小孔布局及结构,列举3种拓扑调整方案,并根据阻抗优化结果给出对应的优化的几何配置实例。     

Evaluation of surface temperature uniformity of multi-zone ceramic heaters with embedded cooling channels for electrostatic chuck

Electrostatic chuck (ESC) is used to transport and fix semiconductors during semiconductor processing effectively. In addition, the wafer is heated and cooled by the ESC to control its temperature. Since the uniformity of the wafer surface temperature has a close relationship with the semiconductor yield, it is essential to find the optimal temperature uniformity conditions considering the heating and cooling regions of the ESC. Therefore, in this study, heat transfer characteristics were analyzed to consider the change in the heating power of each zone of heating elements and the coolant flow rate in an ESC. Furthermore, the temperature uniformity of the ESC was quantitatively compared according to the driving conditions using the temperature deviation and dimensionless factor. It was confirmed that a change in the coolant flow rate had no significant effect on the temperature deviation compared with a temperature change at the top surface of the ESC. Moreover, when different heating powers were applied to each zone, the temperature deviation was decreased, and temperature uniformity was improved. The temperature deviation increases with the operating temperature of the ESC. Therefore, to further reduce the temperature deviation, an analysis considering the shape change of the heating element is necessary.

     

薄膜在流延辊上冷却过程温度场的数值模拟研究

为了获得较高表面质量的流延膜片,采用流场仿真手段,对薄膜在流延辊上的冷却过程进行了温度场的数值模拟,并探讨了流延辊直径、螺旋流道导程和流道尺寸对流延膜冷却效率及表面温度均匀性的影响。结果表明,流延膜的冷却效率及表面温度均匀性均随着辊直径的增大先减小再增大;减小流道的宽高比和导程,有助于提高膜片的冷却效率;增大流道的宽高比,减小导程,有助于提高膜片表面的温度均匀性。采用正交试验设计,对辊直径、流道导程、流道尺寸这3个因素进行了响应面分析及结构优化,优化后的温度均值及温度极差值分别较最初值降低了0.082 K和1.639 K。此研究为改善流延膜表面质量提供了理论依据。     

大型地面目标红外辐射亮度外场模拟系统

为实现大型地面目标红外辐射亮度的外场模拟,研制了一套红外辐射外场模拟系统。采用一种电加热布作为红外辐射材料,将其粘贴于长方形充气靶表面,通过温度控制系统控制电加热布表面温度来实现红外辐射亮度的外场模拟。为提高模拟精度,采用长波热像仪作为温度控制系统中的一个环节,建立了热像仪测温结果与温控系统设定值及环境温度之间的关系公式,为给定辐射亮度条件下红外辐射材料表面温度的设置提供参考。另外,也考虑了靶场环境对红外辐射材料辐射亮度的影响。大量外场试验证明,提出的方法能够在一定精度范围内实现目标红外辐射亮度的外场模拟,其模拟精度换算为辐射温度约为2℃。