（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于ansys的感应加热数值模拟及感应器设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目前，在造船生产中，水火弯板工艺被广泛用于船体外板的加工制作。但在实际加 工过程中发现，氧一乙炔火焰热源存在很多难以解决的问题和缺陷。随着造船工业的迅 速发展，传统的水火弯板工艺逐渐成为整个造船生产流程自动化的瓶颈。因此，寻找一 种更加合适的热源已经是迫在眉睫了。本课题正是以此为背景，研究将电磁感应加热这 种高效节能的新方法用于船体外板的曲面成型加工过程。本文在前人研究的基础上，通 过理论分析、有限元数值模拟等方法，对以下内容进行了研究： 1 参考水火弯板工艺温度场的分布，采用经验设计法设计感应器的形状。 2 建立电磁感应加热过程的有限元模型，通过各种加热参数的组合对电磁感应加 热过程进行模拟，找出各加热参数对钢板上温度场分布的影响规律。 3 根据对温度场的数值模拟结果对感应器形状参数进行修正，优化感应器的设计。 4 根据有限元理论，建立了电磁感应加热钢板的热弹塑性变形的有限元数值模型， 针对不同的感应加热方式及参数组合对钢板变形进行较为系统的分析，找出各种加热参 数对钢板局部变形规律的影响。 5 在总结研究成果的基础上，提出下阶段的研究方向、研究重点的建议。 关键词：水火弯板；感应加热；数值模拟；热弹塑性 基于a n s y s 的感应加热数值模拟及感应器设计 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fi n d u c t i o nh e a t i n gb a s e do na n s y sa n dt h e d e s i g no fi n d u c t o r a b s t r a c t n o w ，i t h es h i p y a r d , t h el i n eh e a t i n gav e r ys p e c i a lt e c h n o l o g yi sb e i n gb r o a d l ya p p l i e d t op r o d u c ec u r l e d s u r f a c es t e e lp l a t eo fs h i ps t r u c t u r e b u td u r i n gt h es h i p y a r d sp r a c t i c a l p r o c e s s i n go fs h i pp l a t ef o r m i n gu s eo x y a c e t y l e n ea sh e a t i n gs o u r c e 。w ef o u n dt h a tt h e r ea r e s o m a n yp r o b l e m sa n dl i m i t a t i o n sw h i c ha r ed i f f i c u l tt ob es o l v e d w i t ht h e r a p i d d e v e l o p m e n to fs h i pp r o d u c t i o n , t h et r a d i t i o n a ll i n eh e a t i n gt e c h n o l o g yi sb e c o m i n gt h e b o t t l e n e c ki nt h ea u t o m a t i cp r o d u c ep r o c e s s i n go fs h i p b u i l d i n g a c c o r d i n gt oa l lt h er e a s o n s h s t e da b o v e ，s e e k i n gf o ran e w w a y st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h el i n eh e a t i n gi sb e e n p u t t i n gf o r w a r di nt h en a v a la r c h i t e c t u r a lp r o c e d u r e b a s e do ns u c ha l le n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d ，t h i ss u b j e c ti sa i m e da te x p l o r i n gan e wp r a c t i c a lw a y st oa p p l yi n d u c t i o nh e a t i n g ah i g he f f i c i e n c ye c o n o m i c a ls o u r c et ot h ef o r m i n gp r o c e s so ft h ec u r l e d - s u r f a c es t e e lp l a t eo f s h i p b u i l d i n g i nt h i sp a p e r , al o to fr e s e a r c hw o r k si nt h e o r e t i cs t u d y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t sb ye l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n gw e r ed i d , t h em a i nc o n t e n t sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o nl a wo ft h el i n eh e a t i n gp r a c t i c a lt e m p e r a t u r ef i e l d , d e s i g n t h ei n d u c t o rb ye x p e r i e n t i a lm e t h o d s 2 t h ee l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n gp r o c e s sm o d e lw a ss e tu pb yf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，a n df i n do u tt h ed i s t r i b u t i o nl a wo ft h ep l a t e sp a r t i a lt e m p e r a t u r ef i e l dt h r o u g ht h e s i m u l a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n gp r o c e s sb ys e v e r a lk i n d so fc o m b i n a t i o no f h e a t i n gp a r a m e t e r s 3 a c c o r d i n gt o t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l to ft h et e m p e r a t u r e , m o d i f i e dt h e p a r a m e t e r so fi n d u c t o rs h a p e ，o p t i m i z e dt h ei n d u c t o rd e s i g n 4 a c c o r d i n gt ot h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s e tu pt h et h e r m a le l a s t o - p l a s t i cd e f o r m a t i o n m o d eo ft h ei n d u c t i o nh e a t i n gs t e e lp l a t eb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nu s i n gd i f f e r e n tm e t h o d s u n d e rd i f f e r e n tc o m b i n a t i o no fh e a t i n gp a r a m e t e r s t h i ss u b j e c ti sa i m e da se x p l o r i n gt h e d e f o r m a t i o nl a wo ft h es t e e lp l a t e 5 b a s e do ns u m m a r i z et h ep r e v i o u sr e s u l t s ，p o i n t e do u tt h ed i r e c t i o no fr e s e a r c hw o r ki n t h ef u t u r e k e yw o r d s ：l i n eh e a t i n g ；i n d u c t i o nh e a t i n g , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t h e r m a le l a s f l c i f f & p l a s t i c i t y i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名；逊 连日期：2 塑：匕! 多 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名型垂盈 上幺年卫甥幺日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的工程背景 构成船舶外表面的曲面大都是复杂的空间曲面。加工船舶外表曲面，通常是先将平 面钢板预辊压，达到预定的横向预弯度后再利用局部加热和急剧水冷，使钢板产生局部 热弹塑性收缩变形，形成所需的三维曲面，这项工艺常称的“水火弯板”工艺。水火弯 板是利用金属板局部受高温冷却后产生局部热弹塑性收缩变形的原理，形成所需要的三 维曲面。加热时，加热区的局部金属受热膨胀，受到四周冷金属的阻碍，这样在相互作 用过程中便产生了压缩的塑性交形；冷却时，由于存在着塑性变形，膨胀的金属开始收 缩受拉，当金属板温度达到一致后便产生了金属板的局部变形。局部变形包括垂直加热 线方向的横向收缩和沿板厚方向的角变形，它是实现金属板整体成形的基础。从理论上 讲，整体变形量与局部变形量应有明确的对应关系，这也说明了局部变形量精度的高低 影响着整体成形的效果。 目前世界上各种船舶外表面钢板的无模成型都是采用这种工艺来加工的。由于水火 弯板的劳动强度大，技术难度高，这项工艺已经成为整个造船生产系统的瓶颈。在这项 工艺中，热源的选择对解决上述瓶颈问题起着十分重要的作用。目前，各国船厂在水火 弯板工艺中普遍都是采用氧乙炔焰作为加工热源的，由于这种热源本身具有一些不可避 免的缺陷，所以长期以来一直制约着这项工艺的发展。 感应加热是以电能作为其能量来源的，由于本身特殊的加热机理，使得感应加热具 有效率高，速度快，污染少，且便于控制等优点。若将感应加热真正应用到水火弯板的 实际生产过程中，进而取代目前所普遍采用的氧乙炔焰的加热方式，必将对提高船厂的 市场竞争力，改善工人劳动条件，以及实现“绿色生产”起到十分积极的作用。 为了实现以上目标，大连新船责任有限公司与大连理工大学共同合作开发，探讨将 感应加热技术应用到水火弯板工艺中去的可行方法，并争取早日将其产品化，以填补国 内空白。本课题正是在以上工程背景的基础上开展起来的。 1 2 传统水火弯板工艺的缺陷 国内外对水火弯板工艺的研究工作主要是从两方面进行的：一是从热弹塑性分析 入手，利用有限元分析方法，以力学手段求解；二是在实验和实测基础上进行数值模 拟。其研究目标都是给出线加热的作业参数，为实现水火弯板的计算机辅助设计和机 器人智能化加工提供理论依据和作业参数。至目前实现了水火弯板工艺参数的自动生 成及优化系统、参数预报计算机模拟系统、帆型板和鞍型板的焰道自动布置系统，并 基于a n s y s 的感应加热数值模拟及感应器设计 开发研制出了水火弯板自动加工装置、“大型复杂曲面钢板智能水火弯板机器人”等 自动化装置，为提高造船的质量和速度提供了质的保证。 然而国内外大部分造船厂在水火弯板的加工工艺过程中，热源采用氧一乙炔火 焰，仍存在着一定的困难和不足： ( 1 ) 氧- - 7 , 炔火焰的加热热效率低，在加工过程中，热量通过辐射、对流和传 导加热工件，熟量的散热损失很大，而直接被钢板吸收的热量大大降低，造成很大的 能源浪费； ( 2 ) 利用氧一乙炔火焰对钢板的加热，主要是利用热的传导，使钢板透热到一 定的深度，加工的速度受到很大的局限； ( 3 ) 在加工过程中对钢板温度的控制和氧气、乙炔的压力控制不方便； ( 4 ) 由于在加工过程中，影响热量损失的因素很多，如气流压力的稳定往、流 量的稳定性、氧气和乙炔气体的配比混合均匀性、火咀离钢板的距离及加工过程中与 钢板的垂直度，另外还受到环境温度、湿度等因素的影响，所以在热交形计算中，很 难利用较为准确的数学模型来进行研究和计算施加给钢板的热量，在加工中很难进行 准确的控制； ( 5 ) 在加工过程中，乙炔燃烧不充分，对周围的环境造成一定的污染：另外气 体燃烧时，产生很大的噪声，进一步影响了工人的操作环境； ( 6 ) 对于气体管路还需有很好的密封措施，防止气体的泄漏； ( 7 ) 利用火焰加热目前的方式是采用匀速连续加热，加热的时间较长，是否能 有一次性加工完一条焰道的方法，实现加工速度的提升，也是船舶制造中的关键问题。 要想最终解决上述问题，提高钢板的加工速度和加热热效率，更换新的热源势在必 行。感应加热技术最早是应用于表面热处理以后普及到焊接领域和各种透热。现在感应 加热技术己广泛应用到国民经济的各个领域。在国外，感应加热技术已日趋成熟，现在 致力于开发大功率全固态高频电源和开发高度自动化的热处理成套处理系统，在我国， 随着电力系统的供应，感应加热也趋向于高频化、大容量化发展。目前在冶金机械制造、 轻工化学实验研究以及尖端技术方面感应加热技术的重要性日益明显。电磁感应加热 ( e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n g ) 广泛应用的实践经验丰富，技术较为成熟，且安全 性好，污染小，效率高，易于控制，是水火弯板加工热源较为理想的选择。 1 3 感应加热的原理及其主要特点 感应加热即将工件置于交变磁场中，由于电磁感应直接使工件自身产生涡流而发 热。感应加热时，通有交变电流的线圈会在线圈的周围产生交变的磁场( 比奥一萨法尔 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 定律) ，按照法拉第电磁感应定律，这个交变磁场又会在工件内部产生感应电动势，进 而形成感应电流。此电流在流动时，为克服导体自身电阻而产生焦耳热，这种热直接产 生在工件内部，因此感应加热的升温速度可以很快而且热效率高。 通常在1 5 0 1 0 0 0 0 h z 频段的感应加热，称为中频感应加热；1 0 0 0 0 i - i z 以上称为高频 感应加热( 也有人将这一波段再分为超音频和高频两种) 感应加热的成套设备通常由 电源、电容组、感应器、机械传动、电气控制及水电连接等几大部分有机组合而成。感 应器由通水铜管绕制两成( 即感应线圈) ，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的 金属的，感应线圈与被加热金属并不直接接触，通常保持3 5 毫米的距离。金属在冷态下 的磁性很强，因此开始加热时在金属表面产生的涡流也很大，升温快。一旦金属表面温 度超过了居里点( 铁磁材料在8 0 0 左右便失去了磁性) ，导磁系数| i 将急剧下降，这 样加热层便分为内外两层，外层失磁，层内涡流强度明显下降，从而最大的涡流强度发 生在两层交界处 研究表明，在感应加热中存在着电流透入层，它是由于电磁感应的“集肤效应”使得感 应电流集中于加热金属某一深度的表面层里，因此在加热过程中钢板由表及里的这一深 度层里的金属吸收了大部分的能量( 8 6 5 ) ，决定了最终的加热效果，这个深度便是感 应加热的“透热深度”。加热频率与“透热深度”的关系为： 匠 & 。v 万 ( 1 1 ) 其中，i 表示金属的“透热深度”( 米) ，f 表示加热频率( 赫兹) ，p 表示金属的导 电率( 欧姆米) ，l i 表示金属的导磁率( 4 x 1 0 7 特斯拉，安培) 由于“透热深度”的存在，使得在对平板进行感应加热时，加热层分为两层：第一 层为“透热深度”层，该层温度升温很快，而且层内温度差别不大；第二层为非加热层， 温度较低，且由外向里递减，所需热量主要靠第一层传递所得。 感应加热大多用在冶金熔炼、锻造透热、金属材料热处理、零件的淬火、焊接、金 属涂层烘干、熟装配等方面，同氧乙炔焰加热相比较感应加热具有十分突出的优点： ( 1 ) 成本低，易于实现高功率密集，效率高，能耗小。感应加热的能量来源是电 能，电能具有廉价，便利，清洁等特点，同氧气乙炔相比还省去了运输、储存等中间过 程，节省不少开支。感应加热的能量的传递是以电磁波的形式进行的，受外界的干扰小， 能量散失少，加热效率高。 ( 2 ) 加热效率高，速度快，采用非接触式加热方式，在加热过程中不易掺入杂质。 由于感应加热的热能直接产生于工件内部，热散失少，所以它的效率很高，一般可以达 基于a n s y s 的感应加热数值模拟及感应器设计 到8 0 左右；同时由于省去了热渗透的中间过程，所以加热的速度比氧乙炔焰加热快很 多。 ( 3 ) 易于实现加热过程自动化。感应加热主要对其加热的功率和频率迸行控制， 这些参数可以很方便的转变成电信号并与微机进行接口，所以控制起来十分方便。 ( 4 ) 具有精确的加热深度和加热区域，并易于控制。由于“集肤效应”的存在， 控制加热频率便可以实现对加热深度较为准确的控制，这也是氧乙炔焰加热所无法做到 的。另外，由于感应加热的升温速度很快，减少了热量向钢板四周传递的过程，可以较 为精确的控制加热区的范围，极大的提高了加工的精度。 ( 5 ) 加热温度高，加热温度易于控制。加热温度由工件表面向内部传导或渗透， 通过控制加热输出电流的频率和功率，可以控制加热的温度。 ( 6 ) 安全性高，工件材料耗损小，氧化皮生成少 感应加热是通过电磁感应进行加热的，工件内并不真正通有电流，所以不会对人体 造成伤害。另外，多年来人们在设备保护方面也做了大量工作，例如对电源采用过电流 保护，断水保护，以及对周围敏感设施采用电磁屏蔽等保护措施，所以设备的安全性很 高。 ( 7 ) 作业环境符合环保要求。感应加热具有清洁，噪音小，对周围环境的热辐射 少等优点，完全改变了以前传统热处理行业工人烟熏火烤的情况。 从以上对比情况可以看出，感应加热是一种十分优秀的热源，它工作原理以及它的 优良特性决定了这种熟源在水火弯板中具有十分广阔的应用前景。 1 4 课题的研究方法 本课题研究的主要内容是研究怎样将电磁感应加热替代传统的氧一乙炔，改进传统 的水火弯板工艺。研究的最终目的就是确定感应加热的各加工工艺参数对钢板变形的影 响，确定各个加工工艺参数与变形量影响之间的关系后，再根据这一关系得出目标变形 所需的加工工艺参数。 感应加热的主要加工工艺参数有：钢板的形状( 板长，板宽，板厚，曲率) ，加热 线的位置和长度，感应器加热面的尺寸( 长度，宽度) ，感应加热的功率，频率，和速 度( 时间) 等，另外冷却方式和支撑形式也是影响钢板最终变形的因素。对于本课题， 可以借鉴以前研究经验，采用数值法进行研究： 数值模拟法是指利用计算机和数值计算方法对加工过程迸行数值分析，由数值确定 加工工艺参数和变形间的关系。同实验法相比，数值模拟法可以在即使不具备实验条件 的基础上对课题开展深入的研究，节约大量的实验成本。更重要的是数值模拟法可以再 一4 大j 奎理工大学硕士学位论文 现整个温度变化和变形过程，获取有用信息，对于掌握加热规律以及研究内部机理都是 十分有利的。随着计算机时代的到来，人们越来越意识到数值模拟的重要性，并使之得 到迅速的发展和广泛的应用。 数值模拟的方法很多，如有限差分法，有限元法，边界元法等等其中有限元法是 在工程界里面应用最广泛的方法之一。同其他数值方法相比有限元法具有物理意义明 显，边界条件简单，以及适应场域边界几何形状和媒质物理性质变异情况复杂的问题等 优势，非常适用于象感应加热这种存在着耦合以及非线性的情况1 1 4 。另外，有限元法 的理论概念可深刻浅，能在不同水平上建立起对该方法的理解，适合不同层次适用者的 要求。目前，世界上已有很多现成的程序系统可供选用，例如国外的 a n s y s n _ j d y n am a r ca d 玳 a b a o u s ，a l g o r 等，这些现成的有限元软件为我 们的研究工作提供了广阔的空间 1 5 电磁感应的加热钢板研究现状 在新的热源应用研究方面，美国、日本等国家的研究者们通过数值模拟分析了激 光加热过程钢板的温度分布以及加热冷却后钢板的变形“”。但由于激光热源的造价 昂贵等因素，没有得到广泛的研究和应用。对于采用电磁感应加热作为线加热热源的 研究，日本的研究者们做出了很大的努力并获得了很有效的研究成果。 东京大学的t o s h i h a r un o m o t o 啪“1 等教授，住友重机械工业( 株) 追浜造船所的 m a s a os a i t o h 在对水火弯板计算机模拟方法进行研究的过程中，以高频感应加热为 热源研究了钢板线状加热弯曲成形的理论，建立相关的数学模型，利用有限元方法对 温度和变形进行数值模拟，开发了线状加热弯板计算机模拟系统。该系统采用简化的 非线性弹性板弯曲模型代替热弹塑性和大变形分析，主系统采用工程工作站，利用 f e a 进行数值计算，并提供了很好的接口。该系统是一套很好的技术人员培训设备， 使用者可以通过该模拟系统直观地理解钢板弯曲的过程，并获得相关的加工方法。研 究中通过试验( 频率f = 2 0 k h z ，功率p = 2 0 1 8 k w ，感应器移动速度v = 4 0 c m m i n ，钢板 尺寸5 0 0 5 0 0 1 1 5 m ) 方法，与模拟结果进行了比较；并利用该系统模拟了平板 ( p l a tp l a t e ) 、辊压板( r o l l e dp l a t e ) 的加热变形过程以及帆型板( o u t s i d ed o n u t ) 、 鞍型板( i n s i d ed o n u t ) 的成型过程。继此，又研究了考虑板面内收缩的弯板计算机 模拟系统的开发。 1 9 9 3 年日本石川岛播磨重工业( 株) 的i s a on e k i ，大阪大学的y u k i ou e d a “1 等人在研究加热条件与钢板变形的关系中，根据线状加热过程的相似性规则，推导出 控制变形的两个参数b 和，采用通用的3 一df e m 方法代替昂贵的试验进行分析计 基于a n s y s 的感应加热数值模拟及感应器设计 算，并考虑了钢板的依赖于温度的热特性参数、电磁特性参数和机械物理性能参数的 非线性。为开发水火弯板计算机辅助设计系统做了下面的研究工作： ( 1 ) 通过理论分析，讨论了几种典型曲面( c y l i n d e r ，s p h e r i c a ls h e l l ，p i l l o w s h a p ea n ds a d d l es h a p e ) 展开成平面后局部获得的面内变形量( i np l a n e d e f o r m a t i o n ) 和角变形量( a n g u l a rd e f o r m a t i o n ) ； ( 2 ) 提出了对双曲面板的加工应该采用冷压滚弯加工和水火弯曲成形弧形配合 的加工工艺，同时在水火弯板加工中要考虑钢板自重对成形效果的影响： ( 3 ) 通过高频加热试验( 频率f = 2 0 k h z ，功率p = i i 7 k w ，长宽= 1 7 0 2 0 m m 移 动式感应器，加热时间t = 4 0 s ，加热后钢板自然冷却，钢板尺寸为5 0 0 x 5 0 0 1 6 r a m ) 方法，分析了加热条件同钢板变形的关系和热源分布与变形的关系； ( 4 ) 应用试验测试和理论计算结果，讨论了单向曲率薄壳的横向曲率和残余应 力对水火弯板的面内收缩量和角变形量的影响。在此基础上提出了两种水火弯板加工 方法分步法( s t e ph e a t i n gm e t h o d ) 和网络法( g r i a g eh e a t i n gm e t h o d ) ； ( 5 ) 构造了水火弯板工艺参数自动设计系统的三个子系统。 i s a on e k i 等人采用电流涡流分析和瞬态热传导分析相结合的方法，对高频感 应加热钢板的温度分布进行了估计，并使用多层m i n d l i n 板单元进行了热弹塑性f e m 分析。在考虑钢板材料特性的非线性情况下，对5 0 0 5 0 0 x 1 2 r a m 的钢板进行试验 ( f = 6 2 6 k h z ，p = 1 5 k w ，静态加热2 0 s ，自然冷却) ，计算的温度和变形数据与试验结 果相一致。 石川岛播磨重工业( 株) 的m o r i n o b ui s h i y a m 啊等1 9 9 4 年在石川岛播磨技鞭 发表了水火弯板自动加工装置的文章；m o r i n o b ui s h i y a m 。1 于1 9 9 8 年在日本造船学 会志上发表了高频感应加热的自动线状加工法，设计了自动线状加热实验装置，并利 用该设备进行了一系列的高频感应加热试验。 汉城国立大学的c h a n g - d o oj a n g 嘲等人研究了高频感应加热钢板成形的分析方 法，采用3 一d 瞬态分析( t r a n s i e n ta n a l y s i s ) ，电磁( e l e c t r o m a g n e t i c ) 、热传递 ( h e a tt r a n s f e r ) 、弹塑性大变形( e l a s t o p l a s t i cl a r g e d e f o r m a t i o n ) 分析相祸合的 分析方法，提出了分析模型( 考虑了材料特性随温度变化的非线性) 和集成计算系统， 并通过模型数值模拟计算和加热试验的方法，分析比较了计算数据和实验数据。试验 中对不同的加热条件如板厚、加热速度和输入功率进行了加热试验分析。 在国内上海交通大学于2 0 0 1 年申请了国家自然科学基金项目计算机辅助高频 感应加热自动弯板成型理论与技术，开始了对感应加热在水火弯板工艺中的应用研 究，还没有明显的技术成果出现。其他的高校和研究单位还没有相关的研究。大连理 大连理工大学硕士学位论文 工大学船舶学院造船工艺c a m 实验室和大连新船重工有限责任公司在进行了长期的 调研之后，开始了对感应加热在船体外板水火成形方面的应用研究。 1 6 感应加热数值模拟的发展现状及动态 感应加热本身是一个复杂的物理过程，它牵涉电、磁、热、相变、力学方面的综 合知识，至今仍无一个完整的耦合理论可以用数学方法来精确耦合该物理过程。计算 机技术的快速发展使得通过计算机数值模拟来描述感应加热过程成为可能，目前己有 许多科研工作者将精力投入到这方面的工作中来。 1 9 6 5 年，w i n s l o wa n 首次将有限元法应用于电磁场数值计算。c h a r tm v k 和d o n e a j 分别在1 9 7 3 和1 9 7 4 年用有限元法得到了轴对称和二维问题的磁矢量势解。到七十年 代末，二维电磁场的数值计算方法己日趋成熟，出现了许多自动化程度高、通用性强 的商业软件包。七十年代末，国外学者就开始致力于三维电磁场、涡流场的数值计算 方法的研究，国内学者也在这一领域做了很多的工作。到八十年代末，国外已出现可 以计算三维电磁场、涡流场的商业软件。例如a n s y s 软件，它不但可以进行结构、热、 电磁场等单个场问题的分析求解，而且还可以进行两个场之间的藕合计算，如热一结 构、电磁一热等。因此，日前国内外学者都认识到，直接利用这些功能强大的商业软 件进行感应加热的有限元数值模拟计算，是一种十分方便、高效的方法。 金晓昌、刘白，等从电磁场理论出发，计算了无限长圆柱工件的电磁场理论分布， 说明了柱形导体和无限大平板具有相似电磁过程的条件。采用的无限大平板理论从某 种程度上说可以避免出现特殊函数( b e s s e l 函数) ，简化计算模型，但是在频率不是很 高、集肤深度相对于工件半径不是很小的情况下，计算误差会显得较明显。 上海大学杭国平对感应加热过程的有限元计算做过研究，在感应加熟问题的有 限元分析一文中，计算了感应加热圆柱型工件的涡流场、温度场，编制了计算三维 涡流问题的有限元程序，利用温度场计算结果，计算了感应加热零件的热应力场及应 变场。作者采用直角坐标系，根据对称性，计算时取圆截面的四分之一计算，用有限 元法计算的结果与用理论公式计算得到的涡流深度相比较，结果差异不大。 航空工业部第五设计院干肇智曾经用有限差分方法对感应加热工件温度分布进 行过模拟，对于具有规则的几何特性和均匀的材料特性问题，它的程序设计和计算过 程比较简单，收敛性也较好，但是也显示出了差分法的局限性，往往局限于规则的差 分网格以及几何和物理上不是十分复杂的问题，并且采用有限差分方法求出的电磁场 和温度场的迭代矩阵都是非正定的，要用亚松弛法进行迭代，而松弛系数的选取存在 很大的困难，程序编制的工作量大。王璋奇等研究了管道感应加热的数学模型，对一 基于a n s y s 的感应加热数值模拟及感应器设计 典型的厚壁管道感应加热过程进行了数值模拟，给出了温度场的仿真结果，对管道感 应加热过程参数的确定有一定的指导意义。 北京机电研究所利用a n s y s 对厚壁筒形工件连续感应加热处理进行了有限元模 拟。计算了热处理过程中工件的温度变化和加热功率变化，并预测淬火时的组织转变。 戴挺对半固态坯料感应二次加热的特点及规律进行了模拟分析，认为单段式感应二次 加热难以获得较均匀的温度分布，分段加热应先以高功率快速加热，再切换为小功率 加热，然后辅以短时保温，可使坯料内温度分布更均匀。还有学者应用a n s y s 软件对 半固态坯料铝合金试样在各种不同工艺参数下的感应加热温度及温度均匀性进行了 模拟。但是半固态合金共晶温度低( 通常5 5 0 以下) 、材料磁热特性变化不大等，与 常用碳钢的感应加热模拟存在较大差异。 f i r e t e a n uv 和t u d o r a c h et 对磁性和非磁性材料研究了横向磁通感应加热的电磁 场，并建立了四种模型来描述磁场强度的分布。k a w a s ey ，m i y a t a k et 和h i r a t az 对电动剃须刀片感应淬火的涡流场与热场的藕合进行了研究，并通过三维有限元方法 建立了该问题的非线性计算模型。t j e r n b e r ga 用x 射线、中子衍射和基于s y s w e l d 软 件包的有限元方法三种手段测试和计算了感应加热的应力场，发现x 射线法与有限元 的计算结果一致。f u h r m a n nj ，h o m b e r gd ，u h l em 等人研究了钢的感应加热一热传 导一固体相交之间的过程，使用一种名为p d e l i b 的差分方程模拟软件包成功地在c r m o 钢的表面淬火上得到应用。d u g h i e r of 和b a t t i s t e t t im 对钢棒连续式感应淬火的工 艺进行了优化，并基于修正的f l e t c h e r 和r e e v e s 有限差分方法模拟了该过程的电磁场 与热场的藕合模型，仿真的结果有效地应用到工艺参数的优化选择当中去。 p o k r o v s k i ia m 和l e s h k o v t s e vv g 研究了决定感应淬火淬硬层的影响因素，认为 由温度控制的相组分和淬火液性能控制了淬硬层的形成和表面硬度的分布，设计了可 以计算感应淬火硬度的软件，从而避免了用昂贵的物理试验方法进行测试和全面研 究。d ib a r b ap ，d u g h i e r of 和t r e v i s a nf 基于逆问题并应用电磁场藕合极小值数值 仿真软件拟合连续式感应淬火的参数。k r a h e n b u h ll 等使用边界元法和有限元法针对 线性阻抗材料计算了高频感应淬火的涡流场。x ud h 和k u a n gz b 用有限元方法分析了 表面感应淬火的残余应力分布，其中考虑了相变与相变潜热的影响因素。值得注意的 是普渡大学的w a n gk f 和波兰学者a d a mb o k o t a 综合应用了电磁场、热场、相变场及残 余应力场的有限元数值方法来研究感应淬火问题，取得了初步效果。当材料表层加热 到居里点时，w a 6x 假设工件由不同导磁率的两部分材料组成，来计算电磁场的分布。 美国普渡大学的学者w a n gk f 等在其移动感应加热有限元模拟中，给出了两 种典型的感应加热有限元模拟计算的方法。一种是单匪线圈沿无限长圆柱工件移动感 大连理工大学硕士学位论文 应加热。对于这种感应加热，作者设计了一种新的重新划分网格的有限元程序。在这 个程序中，磁场被一种新式的网格所模拟，这种网格追随着移动线圈的位置。材料的 内热源随之移动并由磁场分布导出。热传导方程的求解得出了由内热源而产生温度 场。这一程序被用于计算1 0 8 0 钢柱体感应加热的温度分布，计算结果通过与格林方程 方法得到的解析解比较而得到修正。另一种是线圈和工件相对静止有限长的螺旋线圈 加热等长的工件，计算了工件加热淬火后的残余应力分布和相组成分布。 c h a b o u d e zc 应用复矢量磁位势法，推导并建立了计算的数学模型，给出了轴对 称工件的有限元网格划分，计算了螺旋线圈感应加热不等截面工件的温度场分布，并 将计算结果与实验测得的实际结果进行了对比。文中作者采用不均匀缠绕的螺旋线 圈，很好地解决了不等截面的圆柱工件感应加热温度不均匀的问题，在斜面上也取得 了较好的加热效果。 1 7 本文的工作 本文主要通过数值模拟方法，对感应加热过程的温度场和加热后的热弹塑性变形进 行深入地研究，主要有以下几方面： ( 1 ) 根据有限元法，对感应加热钢板的磁热耦合场进行数值模拟计算。找出钢 板被加热的局部温度场分布规律及温度场与各个感应加热参数之间的关系。 ( 2 ) 采用经验法设计感应器的形状，并通过温度场的数值模拟对设计参数进行改 进修正。 ( 3 ) 结合有限元理论，利用a n s y s 软件模拟感应加热后刚板的热弹塑性变形，并 讨论变形与各个感应器加热参数之间的关系。 ( 4 ) 总结本阶段的工作。并对今后课题的发展提出自己的建议。 基于a n s y s 的感应加热数值模拟及感应器设计 2 感应加热的基本原理及特点 2 1 基本定律 2 1 ，1 比奥一萨法尔定律 当任一导体中通有电流时就会在它的周围空间和导体内部激发磁场。稳恒的电流产 生恒定的磁场，交变的电流则产生交变磁场，磁场的方向可以用右手法则确定。磁场的 强度与激发它的场源电流有关，这种关系的普遍表达式为： 皿丽， ( 2 1 ) 即在磁场中，沿任何闭合回路的磁场强度( 面) 的线积分等于包含在此回路中的电 流i 代数( 全电流定律) 。该电流包括传导、位移等电流。通常把此回路积分称为磁动 势。 2 1 2 法拉第电磁感应定律 电流能够产生磁场，交变的磁场也能够产生电流。即当通过导体回路所包围面积的 磁场发生变化时，此回路中就会产生感生电势，当回路闭合时则产生电流。根据法拉第 电磁感应定律，其感应电势表述为： e 一旦r _ 西一塑 ( 2 2 ) 出dt 其中，妒表示回路交链的磁通。 2 1 3 焦尔定律 需要加热的金属在交变的磁场中感生电流，在此电流流动时，为克服导体本身的电 阻而产生焦耳热，其值为： q - 0 2 4 ，? m ( 卡) ( 2 3 ) 其中，i 表示感生电流( 安) ；r 表示导体电阻( 欧姆) ；t 表示时间( 秒) 。 通过以上三个基本理论，我们可以得到感应加热的基本原理：利用交变的电流通过线圈 产生交变的磁场( 比奥一萨法尔定律) ；交变磁场穿过钢板局部时会在钢板局部产生感 生电势，进而形成感生电流( 法拉第电磁感应定律) ：感生电流在钢板局部流动时，为 克服导体自身电阻而产生焦耳热。瞬间，钢板局部从内部迅速发热。由于磁场内的磁力 大连理工大学硕士学位论文 线通过非铁质物体时( 无磁性) ，磁力线不受干扰，不产生涡流，也不产生热量，因此热 效率极高。 2 2 集肤效应与集肤深度6 2 2 1 集肤效应 众所周知，直流电流流经导体时，电流在导体截面上是均匀分布的，而当给一个圆 形断面直导线通以交流电时，这时电流在导体截面上的分布将不再是均匀的，导体表面 上各点的电流密度最大，而在导体中心轴线上电流密度最小，由外向内从最大连续变化 到最小，而电流的频率越高则降低的比率越大，集肤效应越明显( 电流密度的这种降 低率也取决于被加热材料的电阻率和相对导磁率两个物理量) ，这种现象叫做集肤效应。 通常电流密度大约降到表面电流密度值的三分之一深度称为“集肤深度”。在感应加热 中，电源电流是交流电，感应电流也是交流电流，因此同样具有集肤效应。 图2 1 导体中的电流线 f i g2 1t h ee l e c t r i cc u r r e n ti nt h ec o n d u c t o r 电濒龟场端虎电场慧电墙 图2 2 导体中电场关系 f i g2 2t h ee l e c t r i cf i e l di nt h ec o n d u c t o r 当给一个导体通以交流电时，实际上就意味着电源在导体中建立了电场，这个电场 的强度随导体不同截面而不同，而在同一个截面上却处处相同。此外，这个交变的电流 还必然在导体内及其周围空间产生交变磁场。根据电磁感应原理，交变电流所产生的交 变磁场还将在导体中产生交变电场及感应电流，并且这一电场及感应电流都与电源电场 及电流方向相反。设想导体是由很多无限细的导线组成。电流沿这些细导线通过时，每 根细线都会在其周围产生交变磁场，并形成磁通。如图2 1 绘出了导体内三根电流线， 很明显，电流线b ，c 在a 处感应的电场要大于电流线b ，a 在c 处以及a ，c 在b 处感 应的电场。即工件上感应电场中心最强，表面最弱。 总结以上可以归结出，在这种情况下导体内同时有两种存在：一种是电源电场，这一电 场在导体截面上处处相等：另一种是电磁感应产生的交变电场，可称为感应电场。上图 基于n c s y s 的感应加热数值模拟及感应器设计 给出导体中两种电场的关系。两种电场的综合作用结果是：总电场方向是电源电场的方 向，而大小则外表电场强，中心电场弱，变化是连续的，从外表最强连续变化到中心最 弱。导体内的电流密度是与电场关系相对应的，所以电流密度也是外表大，中心最小。 2 2 2 集肤深度5 下面以圆柱形工件为例进行分析。假设表面的电流为，0 ，沿膏方向( 圆柱形工件半 径方向) 的电流密度为： ，i o e 。班 ( 2 4 ) 当并一6 时。l 厶扣，即为表面层密度的3 6 8 ，把电流密度为j o e 的6 层成为电流 透入深度。我们可以通过计算得出，在6 层中放出的能量为8 6 5 。在设计使用时， 认为金属被加热的能量先在6 层产生，内层金属靠热传导而被加热的( 距工件表面3 6 左右的深度，电流密度基本上就降到了零) 。电流透入深度6 可按下试计算： 厂= - 6 - 5 0 3 0 ，f ( c m ) ( 2 5 ) v 妒 式中；p 一工件的电阻率，单位为o c m 。 当温度从0 1 3 升高到8 5 0 9 0 0 1 3 时，钢的电阻率增加4 6 倍，但在8 0 0 9 0 0 温度范围内，各类钢的电阻率差不多相等，约为1 0 。o c m ；i 广工件的相对磁导 率，在真空中口= l ，c u 、a l 及奥氏体钢i lm 1 ，a f e 、c r 、n i 等铁磁性介质p ) 1 ， h c m ，感应加热计算时a = 2 0 1 0 0 ，居里点( 铁为7 7 0 1 3 ，中碳钢7 2 4 1 3 ) 以上，l i = l ，温度再升高，磁导率也不再变化：，一电流频率，单位为h z 。 由式上式即可看出，电流透入深度取决于电流频率，、零件材料的电阻率p 和导 磁率p 。在材料的p 和p 一定时，频率越高，电流越趋向于表面，电流透入深度也就 越浅。 2 3 电磁感应加热的方式 材料在失磁前的涡流透入深度称为“冷态的涡流透入深度”6 净。但随着温度的 上升，材料的电阻率p 将上升、相对导磁率将z 下降，此时涡流分布趋于平缓，透入 深度增大。当温度上升到磁性转变点( 失磁点) 时，相对磁导率肛急剧下降，使涡流 透入深度增大几倍至十几倍。材料在失去磁性后的涡流透入深度称为“热态的涡流透 入深度”6 蔫，对于钢铁材料6 可按式( 2 6 ) 求出：