感应加热的温度场仿真模拟计算及探讨
求解感应加热等复杂场问题的CAE仿真分析
CAE仿真分析已经成为求解感应加热等复杂场问题的有效工具，利用ANSYS软件有效地进行了钢板电磁场和温度场分析，CAE模拟的结果得到了试验的验证；陈慧琴等用有限元分析方法研究了机车曲轴坯弯曲镦锻前的感应加热过程,得到了坯料内的温度分布以及温度随时间的变化规律，并与现场实测值进行了对比；帅克刚等人在船外板结构的热弯曲成型工艺中建立了感应加热热源有限元模型，分析了高频感应加热温度场变化，并通过实验结果验证了模型的有效性。
基于CAE方法研究多场问题在众多行业中得到应用，但很多的应用中或没有考虑多物理场的耦合关系，或没有考虑材料非线性特征，研究对象相对简单，实际上采用数值仿真的方法可以求解更为复杂的多物理场问题。
本文以内镶金属颗粒的石墨球为研究对象，建立了电磁场与温度场耦合的有限元数学模型，基于多场顺序耦合的方法，利用通用多场分析软件ANSYS对石墨球的感应加热过程进行了CAE仿真，考虑材料非线性特征，得到了石墨球温度随加热时间变化规律，并对不同加热频率和电流密度下石墨球感应加热效果进行了分析，本文全部计算借助上海超算中心“蜂鸟”集群完成，最后还就如何有效利用高性能计算资源解决多场问题进行了探讨。
2 分析流程和并行计算2.1耦合场分析流程感应加热是由工件上的感应电流产生涡损而引发的，工件温度的升高反过来又引起工件材料导电、导磁性能的变化，在ANSYS软件上模拟感应加热的关键是研究多场耦合问题。
多场耦合分析的方法有两种，一种是按顺序进行电磁场与温度场的分析，它通过把电磁场分析的结果作为瞬态热分析的载荷实现多场的数据传递，每一次迭代修改材料的属性重新计算，即顺序耦合法（Sequential Coupling Method）；另一种方法是把电磁场与温度场控制方程耦合到一个方程矩阵中求解，即直接耦合法（Direct Coupling Method），这种方法很难把多场求解技术真正结合到一起。
对于感应加热不存在高度非线性相互作用的情形，采用顺序耦合法更为有效和方便。
感应加热工件内电磁场计算及其有限元模拟(1)
0
至此, 我们已经导出了长柱形导体感应加热工件内的电磁场和涡流密度分布方程。 根据第一类 变形B essel 函数的性质, 当 k r ≥ 0 时, I 1 ( i k r) ≈ I 0 i k r ( 绝对值表示它们的模) , 所以, 由 ( 15) 和 ( 16) 可见导体内电磁场和涡流都遵循相同的变化规律, 除和其本身的表面值有关 式 ( 13) 、 外, 在中高频情况下, Ξ 很大, 因而 k 很大, 随着 r 的增大, 将导致 H 、 E 和 J 值的较大增加。 亦即, 当 r ( 15) 接近于 R 时, H 、 E 和 J 值随 r 的减小而减小很快。 当 r = 0 时, I 0 ( 0) = 1, I 1 ( 0) = 0, 而式 ( 13) 、 ( ) 和 16 中分母的值很大, H 、 E 和 J 的大小都近似可以认为是零。 在实际中, 我们常常可以认为电磁 场和涡流都只分布于导体表面上, 而导体内层根本没有, 这就是集肤效应。
1 × H ( r) =
r
( 2) 图 1 长柱导体的
电磁场
( 3) ( 4)
d dr
1 dH ( r) dH ( r ) r ΑΗ = ΑΗ r dr dr 2 dH ( r) 1 dH ( r) d H ( r) r Αz = Αz dr r dr dr
( 5) ( 6)
注意到 J = ΡE , 由式 ( 1) 得: × H ( r) = ΡE ( r) ( 3) 得: 式中: Ρ— 电导率, 1 8 m 。 又由式 ( 2) 、 ( ) × E r = - iΞΛ H ( r ) = - iΞΛ H ( r) Αz ( 8) 得: 由式 ( 7) 、 × × H ( r) = - iΞΛΡH ( r) Αz 注意到式 ( 6) , 可得:
基于ANSYS的感应加热数值模拟分析
基于ANSYS的感应加热数值模拟分析基于ANSYS的感应加热数值模拟分析一、引言感应加热是一种常见的加热方式，利用电磁感应原理将电能转化为热能，广泛应用于金属加热、焊接和熔化等工业领域。
然而，传统试验研究在实践过程中往往需要大量时间和成本，同时无法全面考虑材料性质和结构参数的变化对加热过程的影响。
因此，基于计算机数值模拟方法进行感应加热分析成为一种有效的替代方案。
二、数值模拟方法与ANSYS软件数值模拟方法是基于数学模型和计算机技术，通过离散化处理对实际问题进行数值求解的方法。
在感应加热领域，有限元方法是常用的数值模拟方法之一。
有限元法将复杂的物理问题离散化为一个由节点和单元组成的网格，通过求解节点处的未知量，如温度、电场和磁场等，来求解整个问题。
ANSYS软件是当前广泛应用的有限元分析软件之一，具有强大的建模、网格生成和求解功能。
利用ANSYS软件进行感应加热数值模拟分析，可以较为准确地预测温度场、电场和磁场分布，并分析加热过程中的热传导和热辐射等物理现象。
三、建模与网格生成在进行感应加热数值模拟分析前，首先需要建立待分析的几何模型。
利用ANSYS软件的建模工具，可以灵活地定义模型的形状、尺寸和材料属性等。
在建模过程中，应当充分考虑工件的几何形状和加热目标，并确保模型的几何参数与实际情况一致。
建立几何模型后，需要进行网格生成。
网格的质量和密度对数值模拟的准确性和计算效率起到重要影响。
ANSYS软件提供了多种网格生成方法和优化技术，根据模型的复杂程度和计算要求，选择合适的网格生成方法。
通常，对于快速加热过程，可以采用较为粗糙的网格；而对于热传导过程较为敏感的问题，需要采用更加精细的网格。
四、物理场求解通过ANSYS软件建立几何模型和生成网格后，可以进行物理场求解。
物理场求解是根据材料性质、边界条件和激励方式等，对模型进行求解，并获得预期的温度场、电场和磁场分布等信息。
在感应加热数值模拟中，首先需要定义边界条件和激励方式。
感应加热经验公式
感应加热经验公式感应加热设备常用参数参考与计算感应加热设备常用参数计算:(仅供参考)1.加热炉功率计算P=（C×T×G）÷（0.24×S×η）注释： 1.1 C=材质比热（kcal/kg℃）1.2 G=工件重量（kg）1.3 T=加热温度Heating（℃）1.4 t=时间（S）1.5 η=加热效率（0.6）2.淬火设备功率计算P=（1.5—2.5）×S2.1 S=工件需淬火面积（平方厘米）3.熔炼设备功率计算P=T/23.1 T=电炉容量（T）4.加热设备频率计算δ=4500/d24.1 4500=系数4.2 d=工件半径5.进线整流变压器容量的选择电源功率变压器容量（kW）（kVA）50 100100 160200 250250 315350 400500 630750 100 ……6.设备进线截面的选择电源功率铜芯电缆铝芯电缆（kW）（mm2）（mm2）50 25 35100 50 75200 95 150250 2×70 2×120350 2×95 2×185500 3×95 3×185750 4×95 4×1851000 5×95 5×1857.中频输出电缆截面的选择中频功率电源的输出频率KW kHz0.5 1.0 2.5 4.0 8.0以下电缆截面积单位为：mm250 35 50/90 70 95 120100 50 70 95 2×70 2×95200 95 2×70 2×95 4×70 4×95250 2×70 2×95 3×70 5×90 5×95350 2×95 3×95 4×95 5×100 5×100500 3×95 4×95 5×100 5×150 5×200750 4×95 5×100 5×150 5×200 （5×150）×31000 5×100 5×150 5×200 （5×150）×2 （5×150）×48.冷却水流量的选择8.1 进水压力：0.15—0.3Mpa8.2 冷却水温度在5—30°范围内，水质硬度不超过8度，浑浊度不大于5，PH值在6.5—8的范围内。
感应加热设备的温度场仿真分析与优化
感应加热设备的温度场仿真分析与优化在越来越多的工业制造、材料处理等领域中，感应加热技术已经取代了传统的加热方式，成为了主要的选择。
感应加热用电磁感应原理使工作物料在感应线圈中感应电流，来进行加热。
而随着科技的快速发展，感应加热设备也不断地更新换代，更加智能化、高效化。
然而，感应加热设备的温度场分析，其优化和精确度仍是生产活动中不可忽略的重要环节。
本文旨在分析感应加热设备的温度场，并阐述如何通过仿真分析和优化来提高其性能。
一、感应加热设备的基本原理1、感应加热的基本原理感应加热实质上是利用感应线圈中的交变磁场感应导电环境中的涡电流，使其产生电阻加热。
感应加热设备通过感应线圈产生电磁场, 通过这个电磁场使工作物料中出现涡流，产生热量，对于导电的材料，可以快速加热，用他来替代传统的火焰加热、电炉加热、热处理炉等方式，可以大大降低能耗，减少了污染，同时大大提高了工作效率。
2、感应加热设备的基本组成感应加热设备通常由发生器、感应线圈、冷却器、电源和控制系统等几个组成部分构成，发生器是产生交流电磁场的主机，发生器所产生的交变电流经感应线圈后产生强烈的交变磁场，从而让工作物料在其中感应产生涡流，以此实现加热。
3、感应加热设备的特点感应加热设备具有高速、高效、节能、环保和安全等特点，它的加热速度非常迅速, 能够迅速使加热对象的表面达到所需温度，使其在微波效应下快速加热，热量大部分集中在物料表面，且无明火、无烟雾、无排放，环保性高。
二、感应加热设备温度场仿真分析1、感应加热设备的温度场相关学者指出，在传统的物理模型中，把对象表面的温度定义为加热过程中的主要参数，可以反映出物温度的变化情况。
通过简记组分、可单一物理状态、热流方程、热平衡方程，完成热迁移和热积分计算得到物体表面温度分布。
2、感应加热设备的仿真分析FEA（有限元分析方法）的作用是计算研究感应加热设备在热场中的加热复杂过程，它可以通过分析物体中各个位置点的温度，“描绘”出其物体表面温度和热传导的分布情况，同时，还可以用这些信息为感应加热过程中的预测和控制分析作为依据。
汽车传动轴突缘轴颈感应加热温度场数值模拟研究
根据轴对称条件对 方程进行化简 ，并考虑 到热导率 随温
度变化 ，得到计算轴对称工件温度场分布 的导热微分方程 为：
Ｄ 为电通密度 （ 电位移 ） 向量 ，ｃ ｍ ； ／２
ｔ 时 间 ，ｓ 为 ；
÷ （ ） （ ）：譬 鲁 ＋ ＋＝ 警 去 警
计算 ：
ｃ ４
（） ５
Ｎｕ ｅ ｉ ａ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｍ ｐ ｒ ｔ ｅ Ｆｉ ｌ ｆＡｕ ｏ ｏ ｉｅ ｍ ｒ ｃ ｌＳｉ ｌ ｔ ｓ ａ ｃ ｎ Ｔｅ ｅ ａ ｕｒ ｅｄ ｏ ｔ ｍ ｂ ｌ ｏ Ｓ ａ ｔＦｌ ｎｇ ｒｎｇ Ｉ ｄ ｔｏ Ｈｅ ｔｎｇ Ｐｒ ｃ ｓ ｈ ｆ ａ ｅ ｄｕ ｉ ｎ ｕｃ ｉ ｎ ａ ｉ ｏ ｅ ｓ
（） ２ ’
２ １ 材 料模 型 ．
突缘工件材料为 ４ ５钢 。由感应 加热有限元数 学模型可知 ， 模拟计算所需的材料物性参 数包 括相对磁导率 、电阻率 、导热 系数 、比热容等 ，并且这些参数均与温度 有关，各参数随温度
变 化 曲线 如 图 ３所 示 。
在 柱 坐标 系下 的导 热 微 分 方 程 ：
感 应 加 热 过 程 中 ，感 生 涡 流 作 为 内 热 源 其 强 度 可 由 下 式
为 电场 强度 向量 ，Ｖ ｍ ； ／
Ｂ 为 磁感 应 强 度 向量 ，Ｎ （ ・／ ； ／ Ａ Ｉ） １
“ 为磁 导 率 ，Ｈ ｍ； ／
ｑ ＝Ｐｌ ｌ ， ‘
阵方程 ：
为电导率 ，ｌ （ ・Ｔ ； ／ Ｑ Ｉ） Ｉ ｓ 为绝对介 电常数 ， 。 ． ５×１ １ Ｃ ／ （ ｍ ） 。 ：８ ８ ０Ｉ ２ Ｎ・ ； ｓ 为相对介 电常数 ，无量纲。 考虑突缘类零件具有轴对称性 ，感应器所形成 的加热边界
感应加热电源温度控制算法的仿真
ａ ｃ ｒ ｃ ｎ ｏ ｒｃ ｐ ｂ ｌ ｙ ｏ ｅ ｔ ｄ ｔ ｎ ｌ ｕ ｚ ｏ ｔ ｌａｇ ｒ ｈ ｃ ｕ ａ ｙ ａ ｄ ｐ ｏ ａ ａ ｉ ｔ ｆｔ ｒ ｉ ｏ ａ ｚ ｙ ｃ ｎｒ ｏ ｉ ｍ．Ｓ ｍｕ ａｉｎ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ ｈ ｍｐ ｏ ｅ ｎ ｉ ｈ ａ ｉ ｆ ｏ ｌ ｔ ｉ ｌ ｔ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｈ ｔｔ ｅ ｉ ｒ ｖ ｄ ｉ－ ｏ ｓ ｔ ｒ ｏａ ｉｎ ｆ ｚ ｙ ｃ ｎｒ ｌａｇ ｒ ｈ ，ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗ ｔ ｈ ｒｄ ｔ ｎ ｕ ｚ ｏ ｔｏ ｇ ｒ ｈ ｅｐ ｌｔ ｕ ｚ ｏ ｔ ｏ ｔ ｍ ｏ ｏ ｌ ｉ ｏ ａ ｅ ｉ ｔ ｅ ｔ ｉ ｏ ａ ｆ ｚｙ ｃ ｎ ｒ ｌ ｏｉ ｍ，ｎ ｔ ｎ ｙ ｈ ｓｇ ｏ ｙ ａ ｃ ｈ ａ ｉ ｌ ｌ ａ ｔ ｏ ｌ ａ ｏ ｄ ｄ ｎ ｍｉ ｏ ｃ ａａ ｔｒｓｉｓ ｕ ｌｏ ｃ ｎ ｅ ｉ ｎ ｔ ｔａ ｙ—ｓａｅ ｅｒ ｒ ｅ ｅ ｔ ｅｙ，ｉ ｒ ｖ ｈ ｏ ｔ ｌｐ ｅ ｉｉｎ ｏ ｚ ｙ ｃ ｎ ｒ ｌ ｈ ｒ ｃ ｅ ｔ ，ｂ ｔ ｓ ａ ｌ ｉ ｃ ａ ｍｉ ａｅ ｓ ｄ ｅ ｔｔ ｒ ｆ ｃ ｉ ｌ ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ｒ ｃ ｓ ｆ ｕ ｚ ｏ ｔ — ｏ ｖ ｏ ｏ ｆ ｏ
ｃ ｎ ｒ ｌｏ ｄ ｕ ｆｅ ｕｅ ｙ ｉｄｕ ｔｏ ａｉ ｏ ｒ ｓ ｐｐｙ． Ｔ ｉ ｅｈ ｄ ｃ ｎ ｏ ｅｃ ｍ ｅ ｔｅ ｓ ｏ ｔｏ ｎ ｓ ｏ ｈｅ ｌｗ ｏ ｔｏ ｆｍｅ ｉ ｍ ｑ ｎｃ ｎ ｃ ｉｎ ｈｅ ｔ ｒ ｎｇ ｐ ｗｅ ｕ ｌ ｈ ｓｍ ｔ ｏ ａ ｖ ｒｏ ｈ ｈ ｒｃ ｍｉ ｇ ｆｔ ｏ
大型厚壁筒体内壁感应加热三维温度场的数值模拟
第 ３９ 卷 增 刊 １ ２０１８ 年 ８ 月
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｉｎｇｄａｏ Ｕｎｉ青ｖｅｒ岛ｓｉｔｙ科 ｏｆ技 Ｓｃ大ｉｅｎ学ｃｅ ａ学ｎｄ报 Ｔ（ｅ自ｃｈ然ｎｏｌ科ｏｇ学ｙ（版Ｎ）ａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
ＶｏＡｌｕ．ｇ３９．２Ｓ８７（２０１８）Ｓ１－０１２１－０６
我国能源结构的革命推动了核电和石油化工装备制 造业的迅速发展，在这两个领域中对大型厚壁 筒 体 压 力 容 器产品的需求不断增加。大型厚壁筒体因其 管 径 大、管 壁 厚、拘束度大，焊接 制 造 过 程 中 容 易 产 生 裂 纹。 为 提 高 焊 接质量，需要对筒体进行焊前预热和焊后消氢 及 去 应 力 热 处理［１］。当前，生产中普遍使用火焰或电阻加 热 的 方 式 进 行预热和后热。火焰 加 热 的 成 本 高，工 作 环 境 恶 劣，能 量 利用率低；电阻加热的加热速度慢［２］，温度不 易 控 制 ，后 期 维护费用高。因此，大型厚壁筒体的焊前预热 和 后 热 亟 需 一种高效、低成本、温 度 可 控 的 加 热 工 艺。 机 械 产 品 的 性 能和寿命与其热处理工艺密不可分［３］，感应加 热 作 为 一 种
新 型 的 焊 接 热 处 理 加 热 工 艺，具 有 工 艺 灵 活、加 热 速 度 快［４］、温度容易控制、以局部替代整体加热 等 特 点 ，而 且 容 易实现自动控制、环 境 友 好、能 量 效 率 高、生 产 成 本 低，在 大型厚壁筒体压力容器的焊前预热和焊后热处理中逐渐 得到推广和应用。
大型厚壁筒体内壁感应加热 三维温度场的数值模拟
赵 朋 成 ，韩 硕
（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 ２６６０６１）
摘 要：采用有限元方法对大型厚壁筒体的内壁感应加热工艺进行了数值研究。设计 了 一 种 适 合 内 壁 感 应 加热的弧形面感应加热器，基于 ＡＮＳＹＳ软件建立 了 内 壁 感 应 加 热 的 三 维 瞬 态 电 磁 场 和 温 度 场 模 型 。 分 析 了感应加热参数如线圈电流大小、频率、匝数、加热间距等因素对筒壁温度分布的影响。结果表明：增大 线 圈 电流大小、频率和匝数会极大地改善了加热效果，减少线圈与工件的距离也能提高加热效率。采用感应 加 热 参 数 进 行 感 应 加 热 实 验 ，实 验 结 果 与 预 测 值 吻 合 较 好 。 关 键 词 ：厚 壁 筒 体 ；内 壁 感 应 加 热 ；温 度 场 ；数 值 分 析 中 图 分 类 号 ：ＴＧ １６２ 文 献 标 志 码 ：Ａ
感应加热设备中高温区域温度分布的模拟
感应加热设备中高温区域温度分布的模拟感应加热设备中高温区域的温度分布是研究该设备性能的一个重要方面。
通过数值模拟方法，可以对高温区域所受的加热过程进行分析，提升其加热效率，降低其能耗和故障率。
一、感应加热设备的原理感应加热是一种通过感应电流对导体材料进行加热的过程。
当通以高频电源的交流电时，产生的高频电磁场穿过导体材料，导体材料内产生旋转电流，这种电流又称涡流。
根据焦耳定律，涡流将会使导体发生加热。
感应加热设备根据这个原理进行加热。
二、高温区域的特点高温区域在感应加热设备中非常关键，它可以使物料进行较快有效的加热，同时也是导致设备故障的高风险区域。
由于加热过程会使物料的内部温度逐步上升，如果高温区域未能得到有效的控制和管理，容易使温度失控、超标和产生异常，严重时可以造成设备的故障。
三、高温区域温度分布的模拟在感应加热设备中，高温区域的温度分布是非常复杂的。
为了更好地分析和控制高温区域的温度分布，可以使用数值模拟方法对其加热过程进行研究和分析。
常见的数值模拟方法有有限差分法和有限元法等。
有限差分法是一种基于差商的数值方法。
它的基本思想是把一个连续函数用差分代替，从而把微分转变为差分形式，以达到数值解的目的。
在高温区域的温度分布模拟中，通常采用梯度法。
在三维空间中，梯度法可以通过计算一个标量或向量函数在该点处的偏导数来得到该点处的梯度向量。
有限元法是一种数值解微分方程的方法，它将求解区域分成无数个小单元进行处理，将一个连续函数的求解问题转化为一个离散化的求解问题。
在高温区域的温度分布模拟中，通常采用热传导方程进行求解。
热传导方程可以将一个物体内部温度随时间的变化和空间位置所满足的关系描述为一个偏微分方程，通过有限元法求解，可以得出不同时间和空间位置下的温度分布情况。
四、模拟结果的应用通过对高温区域的温度分布进行数值模拟分析，可以得到该区域内不同位置的温度分布情况，进而判断加热效果是否符合要求。
如果发现高温区域的温度分布出现异常，需要及时采取措施进行调整。
基于MATLAB的感应加热模型的仿真与研究
16软件开发与应用Software Development And Application电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering国内外孔轴配合件的拆卸方法中，采用温差法的工艺主要有火焰加热法、油浴加热法、物理制冷法、感应加热法等。
感应加热方法因其速度快、功率消耗小、温度易于控制，可以实现孔轴类零件节能、安全、无损、高效的原则，但感应加热中包括对温度的控制、频率的调节等对电磁场参数的设计具有一定的影响，其模型的搭建有利于感应加热实验的进行[1]。
1 感应加热原理感应加热的工作原理：向多匝线圈通入交变电流，此时线圈中就会产生交变磁通，在磁场的作用下，使得感应圈中的金属材料产生涡流[2]，从而工件内部产生热量，以此来实现实验的目的。
2 电磁场计算模型2.1 电磁场基本定律电磁感应加热的整个过程通过以下几个基本定律来加以叙述，其中包括安培环路电律、法拉第电磁感应电律、高斯电通定律、高斯磁通定律。
安培环路定律：磁场强度通过闭合路径的积分，等于穿过此闭合路径形成曲面的电流的代数和。
积分形式（1）式中：-磁场强度矢量（A/m ）-电流密度矢量（A/m 2）-电通密度（电位移）矢量（C/m 2）-闭合路径矢量S-闭合曲面的界限。
法拉第电磁感应定律：导体回路中的感应电动势与穿过此路径的磁通量随时间的变化率成正比。
积分形式（2）式中：-电场强度矢量（V/m ）-磁感应强度矢量（Wb/m 2）。
高斯电通定律：介质中穿过任一闭合曲面的电位移矢量D 的通基于MATLAB 的感应加热模型的仿真与研究李城磊 张瑞平（山西大同大学机电工程学院 山西省大同市 037003）量等于该闭合面包围的电荷量。
积分形式（3）式中：ρ-电荷体密度（C/m 3）V-闭合曲面S 围成的体积区域。
高斯磁通定律：传出一个闭合路径的磁通量恒等于0，这里的磁通量指的是磁感应强度矢量对闭合路径的有向积分。
温度场仿真与分析
温度场仿真与分析温度场仿真与分析温度场仿真与分析是一种通过数值计算来模拟和预测物体或区域内的温度分布的方法。
它可以帮助我们理解热传导、对流和辐射等热传输机制，并为工程设计和优化提供支持。
下面将逐步介绍温度场仿真与分析的步骤和方法。
第一步是确定仿真目标和需求。
在开始仿真之前，我们需要明确想要分析的物体或区域以及所关注的温度场特性。
例如，我们可能想要了解一个电子设备在不同工作负载下的温度分布，或者研究一座建筑在不同季节和使用条件下的室内温度变化。
第二步是建立几何模型。
根据仿真目标，我们需要将物体或区域的几何形状转化为数学模型。
对于简单的几何形状，我们可以使用基本的几何图形来近似表示；对于复杂的几何形状，我们可能需要使用计算机辅助设计软件来建立几何模型。
第三步是定义边界条件。
边界条件是模拟中的关键参数，它们描述了物体或区域与外部环境的热交换方式。
例如，我们可以指定物体表面的温度、环境中的流体温度或边界上的热流量。
这些边界条件将影响温度场的分布和演化。
第四步是选择适当的数值方法和模拟工具。
温度场仿真可以使用多种数值方法，包括有限元法、有限差分法和有限体积法等。
我们需要根据模型的复杂程度和仿真目的选择合适的数值方法，并选择相应的仿真工具或软件来进行计算。
第五步是进行仿真计算。
在进行实际的仿真计算之前，我们需要将几何模型和边界条件导入仿真工具中，并进行必要的设置和调整。
然后，我们可以启动仿真计算，该计算将根据所选的数值方法和边界条件来求解温度场的分布。
第六步是分析和解释仿真结果。
一旦仿真计算完成，我们就可以获得物体或区域在不同位置和时间点的温度分布数据。
我们可以使用可视化工具来展示温度场，并进行进一步的分析和解释。
例如，我们可以比较不同边界条件下的温度分布差异，或者评估不同设计方案对温度场的影响。
最后一步是验证和优化仿真结果。
温度场仿真是一个理论模型的近似计算过程，因此我们需要将仿真结果与实际测量数据进行比较，以验证模型的准确性和可靠性。
熔盐电磁感应加热器数值模拟与实验研究
熔盐电磁感应加热器数值模拟与实验研究熔盐电磁感应加热器是一种高效、环保、节能的加热方式，具有广泛的应用前景。
本文以熔盐电磁感应加热器为研究对象，进行数值模拟和实验研究，并分析其加热特性。
首先，建立了熔盐电磁感应加热器的三维有限元模型，采用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟。
模拟中考虑了熔盐的热传导、磁场分布、涡流和焦耳热等因素，分析了加热器加热效果随电流、频率和熔盐深度的变化规律。
其次，设计了一台熔盐电磁感应加热实验装置，对加热器进行实验研究。
实验中将熔盐放置在加热器上方，通过改变电流、频率和熔盐深度等参数，测量了熔盐表面温度和加热器电功率。
实验结果验证了数值模拟的准确性，并且发现加热器的加热效果随电流、频率和熔盐深度的变化规律与模拟结果基本一致。
最后，基于数值模拟和实验研究结果，分析了熔盐电磁感应加热器的加热特性。
发现加热器的加热效果受电流和频率的影响较大，熔盐深度对加热器的加热效果也有一定的影响。
此外，由于涡流的存在，加热器表面的热流密度分布非常不均匀，需要注意防止熔盐过热或局部汽化。
综上所述，本研究对熔盐电磁感应加热器的加热特性进行了深入的研究，为该加热方式的应用提供了理论依据。
未来可以进一步探究加热器的优化设计和应用扩展。
电磁感应加热温度场建模方法的研究
第36卷第1期2007年1月内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版)Journal of Inner Mongolia Normal University (Natural Science Edition )Vol.36No.1J an.2007收稿日期:2006-10-16基金项目:吉林省科技发展计划基金资助项目(20030527)作者简介:高印寒(1951-),男,吉林省长春市人,吉林大学教授,博士生导师,主要从事先进制造技术及装备、测控技术及仪器研究.电磁感应加热温度场建模方法的研究高印寒1,高 洪2,刘长英3,马增治1,李春光1(1.吉林大学测试科学实验中心,吉林长春130025;2.长春大学机械工程学院,吉林长春130022;3.吉林大学仪器科学与电气工程学院,吉林长春130061)摘 要:为有效解决电磁感应加热过程中加热温度的控制问题,对电磁感应加热温度场的建模方法进行了研究.分析了电流透入深度对工件加热的影响及电磁感应加热过程中工件的温度分布情况,描述了感应加热时工件温度随工件半径和时间的变化情况.将温度场建模理论引入电磁感应加热系统的研究中,给出了电磁感应加热温度场的建模方法.实验结果表明,该方法能够成功地解决电磁感应加热温度的控制问题.关键词:电磁感应;集肤效应;温度场;建模中图分类号:TP 391.9 文献标识码:A 文章编号:1001228735(2007)012200542204运用电磁感应技术对工件进行加热具有加热效率高、耗能少、污染小等优点,因此电磁感应技术被广泛地用于工业加热及冶炼生产中.感应加热工件的温度测量对于控制加热温度具有重要意义,本文通过对电磁感应加热过程中工件的温度分布情况及电流透入深度对感应加热影响的分析,建立了电磁感应加热装置温度场的温度分布数学模型.1 电磁感应加热原理当导体处于交变电流中时,交变电流使导体周围产生交变磁场,从而引起集肤效应使导体在短时间内迅速被加热.交变电流的频率越高,集肤效应越严重.1.1 电流透入深度对感应加热的影响把金属圆柱体放在通有交流电的线圈中,尽管金属圆柱不与线圈接触,线圈本身的温度也很低,但是圆柱表面却会被加热到发红,甚至熔化.这是由于电磁感应作用,在金属柱中感生与线圈电流方向相反的涡流,在涡流的焦耳热作用下,金属自身发热升温所引起的.金属圆柱中的感生电流的分布在表面最强,在径向从外到里按指数函数方式减小.这种电流不均匀分布的现象,随电流频率升高而趋显著.为了简化电流计算,假定图1(a )中斜线所示的全电流能折合成图1(b )所示的按表面电流密度均匀分布的形式,则其电流分布带的宽度可表示为图1 圆柱体内的电流分布 δ=12πρ×109μr f =5030ρμr f ,(1)其中:δ为电流分布带的宽度;ρ为金属的电阻率;μr 为金属的相对导磁率;f 为电流频率.当感应加热圆柱导体时,集肤效应使导体表面快速升温,而中心部分则靠热传导作用,从表面高温区向内部低温区传导热量,因此升温较慢.导体表面与中心的温度差(Δt )可表示为 Δt =25×P n D k c k t ,(2)其中:D 为导体直径(或炉内径),单位cm ;k c 为导体的热导率,单位W/m ・K -1;P n =P a ΟP r ,P a 为功率密 第1期高印寒等:电磁感应加热温度场建模方法的研究 度(导体吸收功率/导体表面积),P r 为导体的散热损失,单位W/cm 2;k t 是与D/2δ和P n /P a 有关的小于1的修正系数.1.2 感应加热时工件温度的分布[1,2]感应加热时,电能在金属透入层转变为热能,再依靠金属本身的热传导能力使热能由温度高处向温度低处传递,即由电流透入层传向中心.因此,导体内部各点的温度在不断的变化.工件径向温度的大小与表面功率密度及被加热材料的导热系数有关.感应加热工件的温度涉及热流计算,对于圆柱形工件,设工件表面的功率密度为P ,则输入的能量为Pt (2πR l ),储存的能量为θm (πR 2l )(c γ),其中R 为圆柱体的半径,c 为材料的比热,γ为材料的密度.设t 为加热时间,则 P =θm R (c γ)2t.(3)(3)式与圆柱体的长度无关,其中θm 是假想的“平均温度”.若表面功率密度(P 0)恒定,则圆柱体的温度分布由下式计算: θ=P 0R k 2τ+r22R 2-14-2∑∞n =1e -β2n τJ 0βn r R β2n J 0βn ,(4)其中:θ为半径r 处经过时间t 后的温升;τ为标称化时间(kt/γcR 2);k 为导热率.由于P 0R/k 具有2(θs -θc )的稳态值,所以(4)式可改写为 θθs -θc =22τ+r22R 2-14-2∑∞n =1e -β2n τJ 0βn r R β2n J 0βn .(5)通过公式(5),可以推导出工件在不同时刻随半径的变化规律(如图2所示),其中温度按(θs -θc )τ>0.25=p 0R 2k 标称化,换算成摄氏度(℃).由图2可以看出,工件表面的温升比中心要快,所以温度分布呈抛物线形,而且温度分布规律保持相同,只是上升的速度不同. 图2 温度随圆柱体半径和标称化时间的变化规律当标称化时间τ≥0.25时,其解简化为 θ=P 0R k 2τ+r22R 2-14.(6)所以,在表面处(r/R =1) θ=P 0R k 2τ+14,(7)在中心处(r =0) θ=P 0R k 2τ-14.(8)因此 (θs -θc )τ>0.25=P 0R 2k.(9)这是在不考虑辐射损耗的情况下,假设热量都输入到工件材料的表面.根据(7)式和(8)式,(6)式可以表示为 θθs -θc=4τ+r 2R 2-12.(10)通过公式(10),可以精确地计算温度差.如果工件的每一部分都以均匀的速率升温,那么根据能量方程,输入到体积的每个单元的功率必须相同.设输入单元体积的能量为P v d t d v ,储存在单元体积中的能量为(c γd v )d θ,则 d θd t =P v c γ,(11)其中P v 是单位体积的功率.如果d θ/d t 不变,则P v 在整个体积中是相同的,并等于整个表面功率除以整个体积.因此,在任一半径处的功率密度P r 可由P r =rP v /2来计算,即功率密度和半径成正比.这一功率是通过感应进行转换的.由于(4)式中的第1项2τR P 0/k 可改写成2pt γcR ,它与(3)式中的θm 完全一样,θm 是始终・55・ 内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版)第36卷 随时间而增加的项目,r 2/2R 2-1/4表示稳态抛物线形分布.在任一半径处产生的平均温度可以令r 2/2R 2-1/4=0求得,即r =R/2.2 感应加热温度场的数学建模加热装置共有6个工作位,要求每个工件总加热时间为20～40s ,并且工件的表面和轴心的温度差不得超过50℃,所以对时间和温度的控制有比较严格的规定.因此,必须研究炉内温度场的分布.根据能量守恒定律可建立温度场控制方程[3,4],即在单位时间内,物体内任一微元体由于温度升高所需要的热量等于外部传入的热量与内部热源提供的热量之和.现以图3为模型建立温度场控制方程.单位时间内传导到微元体内的热量为 d Q ch =d Q x +d Q y +d Q z ,(12)其中:d Q ch 是由热传导储存到微元体内的热量;d Q x ,d Q y ,d Q z 分别为沿x ,y ,z 轴方向传入而储存在微元体内的热量.设由A 1面和A 2面传入的热量分别为d Q A 1和d Q A 2,若A 1面处传导热流强度为q x ,则A 2面处传导热流强度为(q x +d q x ),代入d Q A 1=q x d y d z -k x 9T 9x d y d z ,得图3 温度场微元 d Q A 2=k x 9T 9x +99x (k x 9T 9x)d x d y d z ,整理得 d Q x =99x (k x 9T 9x)d x d y d z ,d Q y =99y (k y 9T 9y)d x d y d z ,d Q z =99z (k z 9T 9z)d x d y d z.(13)将(13)式代入(12)式得 d Q ch =99x (k x 9T 9x )+99y (k y 9T 9y )+99z (k z 9T 9z)d x d y d z.(14)因为单位时间内微元体内热源生成的热量为d Q sh =q sh d x d y d z ,而单位时间内由于温度升高微元体所需的热量为d Q =C 9T 9td x d y d z ,将其代入(14)式,并去掉d x d y d z ,得 99x (k x 9T 9x )+99y (k y 9T 9y )+99z(k z 9T 9z )+q sh =C 9T 9t.(15)对于各向同性导热材料k x =k y =k z =k ,(15)式变为 k (92T 9x 2+92T 9y 2+92T 9z 2)+q sh =C 9T 9t .(16)图4 实验测控系统组成3 实验温度的测控感应加热工件的温度测量对控制加热质量、实施温度闭环控制具有现实意义.我们采用工控机和红外温度计对加热工件进行单点测量,实验测试系统的框图如图4所示.微机温度测量系统主要解决如何剔除测量中的噪声信号问题,利用微机对感应加热工件温度检测信号进行相应的滤波处理,可以保证测量精度.图5为不同时刻测得的实验工件的温度值,它反映了工件在加热过程中温度的变化情况.图6为经过实验得到的工件温度分布的三维效果图,它反映了电磁感应加热过程中温度的变化效果.・65・ 第1期高印寒等:电磁感应加热温度场建模方法的研究 图5 不同时刻的实验温度数据值 图6 实验温度分布4 小结根据电磁感应加热温度场的数学建模理论,能使感应加热温度得到很好的控制,使工件的加热温度均匀、加热质量高、加热速度快、氧化脱碳少、透烧性好.另外,可以避免加热过程中出现的工件过热和过烧现象,减少加热时出现废品.实验结果表明,该方法是可行的.参考文献:[1] 葛芦生.环行加热炉钢坯温度分布数学建模的开发及仿真研究[J ].华东冶金学学报,1995,12(1):24-30.[2] Y oshisuke Misaka ,Ryoichi Takahashi ,Akio Shihjo ,et puter control of a reheat furnace at Kashima Steel Workshot strip mill [J ].Iron and Steel Engineer ,1982,59(5):51-55.[3] 樊叔维.电磁场数值计算方法—等效电磁网络方法中参数的求解[J ].光学精密工程,1999,7(3):23-27.[4] 李积慧,卢锷,王家骐,等.遥感相机热环境模拟试验设计与加热功率的确定[J ].光学精密工程,1998,6(6):107-111.A St udy on t he Model of t he Temperat ure Fieldof Elect romagnetism Induction HeatingGAO Yin Οhan 1,GAO Hong 2,L IU Chang Οying 3,MA Zeng Οzhi 1,L I Chun Οguang 1(1.Cent re of Test Science ,J ilin Universit y ,Changchun 130025,China;2.College of Mechanical Engineering ,Changchun Universit y ,Changchun 130022,China;3.College of I nst rumentation and Elect rical Engineering ,J ilin Universit y ,Changchun 130061,China )Abstract :To cont rol t he heating temperat ure in t he p rocess of elect romagnetism induction heating ,t he model of t he temperat ure field in elect romagnetism induction heating was st udied.The influence of t he elec 2t ric current permeating deep ness on t he workpiece heating and t he temperat ure distributing of t he work 2piece heated by electromagnetism induction were analyzed.The variety of t he workpiece temperat ure wit h radius and time changing was described.Then ,t he modeling p rinciple of t he temperat ure field was int ro 2duced into t he st udy of t he elect romagnetism induction heating system.The modeling of temperat ure field of elect romagnetism induction was presented.It was p roved t hat t he met hod could resolve t he problem of cont rolling t he elect romagnetism heating temperat ure successf ully.K ey w ords :electromagnetism induction ;skin effect ;temperat ure field ;modeling【责任编辑陈汉忠】・75・。
仿形感应器对重载链轮加热过程的数值模拟及实验研究.pptx
目前我国正处于高速发展阶段,而且我国发展离不开工程机械, 工程机械的工作环境一般比较恶劣,链轮作为传动动力的重要部 件,长期工作齿部容易出现磨损、断裂等,这样将会大大影响了 工程的进程,甚至带来安全隐患,因此必须提高链轮表层性能,提 高表层的耐磨性、硬度、抗疲劳强度等,从而满足工作需求。链 轮大多通过铸造制成,铸造件通过调质、等温退火处理后,可以 使其组织均匀化,但是根据链轮的使用要求,轮廓需要具有较高 的耐磨性、硬度以及抗疲劳强度,所以需要进行表层淬火处理。
3)使用中频电源结合制作的感应器对链轮进行感应加热实验,通 过测温装置对链轮轮廓的5个点进行测温,然后按照实验参数进 行数值模拟。将实验测得的数据和模拟数据制成曲线图,对5个 点测温点的温升曲线进行对比分析,并进行误差设计了一种带V型角的仿形线圈, 通过ANSYS建立电-磁-热耦合场数学模型进行模拟仿真分析,主 要改变感应线圈的几何参数及通入的电参数进行模拟仿真。分 析了各个因素对硬化层磁感应强度、温差、加热深度及加热时 间的影响,不同因素对感应加热影响程度的敏感性进行了对比分 析,得出链轮感应加热时加热质量及加热效率随参数的变化规律, 为感应器参数修改时的优先级提供理论依据。
链轮淬火后,轮廓容易出现硬化层深度不均匀、硬度不均匀、产 生裂纹等问题,理想的链轮轮硬化层应该具有连续的、厚薄均匀 的、沿齿面仿形的硬化层分布。感应淬火相对传统的淬火方式 具有高效、节能、环保、易于实现自动化的优点。
通过数值模拟可以提前对链轮内部温度场进行预测,通过改变电 参数及几何参数调整内部温度及加热深度,对链轮淬火具有重要 指导意义。本文针对重载弯板链轮的感应加热过程进行了如下 研究工作:1)对感应加热原理及模拟过程做出了详细的介绍,包 括建立模型、网格划分、定义载荷、求解等步骤,取齿廓及内部 3mm层处温度分布、温差,齿顶至圆心C1-C1、距齿顶2/3齿高处 C2-C2、齿沟至圆心C3-C3三条路径的加热深度作为评价加热质 量标准。
温压模具感应加热温度场的有限元模拟分析_尹延国
温压模具感应加热温度场的有限元模拟分析尹延国 俞建卫 王永国 解 挺 田 明 宋 平合肥工业大学,合肥,230009摘要:基于感应加热理论建立了温压模具的感应加热模型,利用ANSYS 软件中的电磁-热耦合模块对模具的加热过程进行了温度场的有限元模拟分析,结果表明模具内壁温度沿纵向分布基本均匀一致,内外壁温差较小。
模拟结果和试验结果基本吻合,说明采用感应加热方法使得模具的整体温度均匀性好,并易于控制。
通过实际感应加热温压成形试验,进一步证实了温压感应加热系统的优越性。
关键词:温压;感应加热;集肤效应;电磁-热耦合;温度场模拟中图分类号:T F301 文章编号:1004)132X(2011)05)0611)05Simulation Analysis of Temperature Field in Induction -heatingWarm C ompaction Mold by Finite Element MethodYin Yang uo Yu Jianwei W ang Yongguo Xie T ing T ian M ing Song PingH efei Univer sity of Technolo gy,H efei,230009Abstract :An inductio n heating mo del w as built fo r w arm com paction mo ld based on the induction heating theor y.The tem perature field in the w arm com paction mo ld w as analyzed by using electro -m ag netic-therm al coupling field o f AN SYS softw are.T he r esults show that the longitudinal temper -ature distr ibutio n along the inner w all of the mold is uniform and the tem perature difference betw een the o uter w all and inner w all of the mold is very sm all.T he simulation r esults are in go od ag reem ent w ith the exper im ental results,w hich indicates that the temperatur e distribution in mo ld is v ery un-iform by using the induction heating method and it is easy to co ntrol.The practical test proves that the advantages of induction heating method are v ery o bvious.Key words :w arm com paction;induction heating ;skin effect;electromag netic -thermal cou -pling;tem perature field simulation收稿日期:2010)04)30基金项目:国家自然科学基金资助项目(50975072,51075114)0 引言铁基粉末冶金产品性能与其密度关系密切,当密度达到712g /cm 3后,其硬度、强度、韧性等都会随密度的增加而呈几何级数增大[1]。
COMSOL—感应加热炉数值模拟
COMSOL—感应加热炉数值模拟感应加热背后的原理控制感应加热过程的物理原理非常简单：交流电会流过螺母管（线圈），进而产生瞬态磁场。
根据麦克斯韦方程组，该磁场会在附近的导电材料中感应出电流（涡电流）。
在炉体类的应用中，会因为焦耳效应而产生热，从而使导电对象（金属）达到熔点。
通过调整电流参数，可以将熔融金属维持在液态或精确地控制其凝固。
利用COMSOL Multiphysics 进行模拟创建模型时，我们首先会描述几何及相关材料。
和这类工业应用中较常见的做法保持一致，可以采用轴对称假设。
选定的几何（如下图所示）由感应炉的经典组件构成：包含导电对象（金属）的坩埚，控制热辐射的绝热屏障，以及施加了电流的水冷线圈。
模型几何。
通过使用感应加热多物理场接口，磁场和固体传热物理场接口自动增加到组件中。
多物理场耦合将电磁功率耗散增加为一个热源，而电磁材料属性则依赖于温度。
通过应用预选择的研究步骤可以确保实现强耦合，它可以是频率-稳态或频率-瞬态研究。
在这些情况中，将求解给定频率下每个时间步长的安培定律，随后求解瞬态或稳态的传热问题。
电磁问题采用轴对称假设后，仅有垂直于几何平面的磁矢势分量() 非零。
为施加边界条件，我们可以假定与炉体距离较“远”处明显为磁绝缘状态。
务必要保证这一绝缘状态足够远，以免其影响到求解。
一种较有效的做法是使用组件定义项中的无限元域。
本方法支持您通过增加对一层虚拟域（环绕感兴趣的物理区域）的坐标缩放来控制问题尺寸。
一个无限元域。
可以使用多种不同的方法来增加电磁源。
选择方法时可基于几何类型和电学属性的已知情况。
在我们的示例中，线圈几何（四匝）真实表征，因此在这些铜表面增加了单匝线圈条件。
根据我们有关线圈激励的知识，我们将考虑线圈功率已知的情况。
为了在整个线圈中应用该量，应激活线圈组模式来保证用于计算全局线圈功率的电压为所有匝的电压之和。
通过使用这类激励，问题变为非线性，COMSOL Multiphysics 会自动添加相关方程来计算正确的功率（参见此处）。
熔盐电磁感应加热器数值模拟与实验研究
熔盐电磁感应加热器数值模拟与实验研究
熔盐电磁感应加热器是一种新型的加热设备，它利用电磁感应原理将电能转化为热能，通过熔盐的传导和对流将热能传递给被加热物体。
本文将从数值模拟和实验两个方面探讨熔盐电磁感应加热器的研究。
我们来看数值模拟方面。
数值模拟是一种通过计算机模拟物理过程的方法，可以预测物理现象的发展趋势和结果。
在熔盐电磁感应加热器的研究中，数值模拟可以帮助我们预测加热器的热效率、温度分布和热损失等参数。
通过数值模拟，我们可以优化加热器的设计，提高加热器的效率和稳定性。
我们来看实验方面。
实验是一种通过实际操作来验证理论的方法，可以检验数值模拟的准确性和可靠性。
在熔盐电磁感应加热器的研究中，实验可以帮助我们验证数值模拟的结果，同时也可以发现实际操作中存在的问题和改进方案。
通过实验，我们可以进一步完善加热器的设计和优化加热器的性能。
熔盐电磁感应加热器的研究需要结合数值模拟和实验两个方面。
数值模拟可以预测加热器的性能和优化加热器的设计，实验可以验证数值模拟的结果和发现实际操作中存在的问题。
通过数值模拟和实验的相互印证，我们可以更好地理解熔盐电磁感应加热器的工作原理和优化加热器的性能，为熔盐电磁感应加热器的应用提供更好的技术支持。
感应透热温度场仿真技术的研究的开题报告
感应透热温度场仿真技术的研究的开题报告一、选题背景感应加热技术已经被广泛应用于工业生产中。
在感应加热过程中，通过通过一组线圈中的交变磁场激励作用在工件上的涡流，产生的电流在阻抗的阻挡下，从而使工件产生热量，从而实现加热的目的。
同时，感应透热技术也是常用的材料加工工艺之一，例如激光加工、电火花加工、冷却切削等。
在感应加热或感应透热过程中，温度分布的规律对生产工艺的优化和工件性能的保证都至关重要。
传统的实验方法需要不断地进行实际加工和测试，而且受到实验条件和测试精度等因素的限制，导致对温度分布规律的认识缺乏深入。
因此，通过数值仿真来分析温度场分布规律成为了目前的研究热点。
本课题拟采用有限元方法，通过建立感应透热模型，分析感应透热过程中的温度分布规律，为相关领域的工艺改善提供理论支持。
二、研究目的本课题旨在探究感应透热温度场分布规律，明确感应透热的加热机理及影响因素，并以此来优化感应透热加热参数设计，提高材料加工质量和效率。
三、研究内容1. 建立感应透热数值模型，包括感应线圈和工件的几何尺寸、各材料的物性参数等。
2. 对感应透热温度场有限元分析，计算感应透热过程中的涡流场和温度场，分析感应加热的机理及其影响因素。
3. 建立感应透热加热参数优化模型，通过对模拟数据的分析，挖掘加热参数与温度分布的关系，从而优化加热参数设计，提高加工质量和效率。
4. 实验验证模型的正确性，并分析模型与实验结果的差异性。
四、研究方法1. 基于有限元法，采用ANSYS等有限元分析软件，建立模型并进行数值模拟分析。
2. 采用MATLAB等数据分析软件，对模拟和实验数据进行处理和分析。
3. 通过实验验证模型的正确性，并分析模型与实验结果的差异性。
五、预期成果1. 建立感应透热数值模型，分析感应透热过程中的涡流场和温度场分布规律。
2. 建立感应透热加热参数优化模型，提高材料加工质量和效率。
3. 实验验证模型的正确性，并分析模型与实验结果的差异性。
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Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔｉｎｇ
Ｓｕｎ Ｇｅｐｉｎｇꎬ Ｙａｎｇ Ｘｉｕｘｉａꎬ Ｍａ Ｄａｊｉａｎｇꎬ Ｚｈｕ Ｘｕｅｇａｎｇꎬ Ｗａｎ Ｍｉｎ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇꎻ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄꎻ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
感应加热是 １９ 世纪发展起来的新型加热方 式ꎬ具有效率高、控制精度高、温度均匀性好、污染 小等特点ꎮ 据资料介绍ꎬ感应加热的效率可以达 到 ６０％ ~ ７０％ [１] ꎬ而目前大量使用的火焰炉效率 只有 ２０％ 左右ꎬ电阻炉的效率也只有 ４０％ 左右ꎬ 因此推广感应加热是节能减排的优选措施之一ꎬ 目前感应加热在熔炼、锻造加热、热处理、焊接、烧 结等方面获得了广泛应用ꎮ
Ｎｏ. ５ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１８
« 大型铸锻件» ＨＥＡＶＹ ＣＡＳＴＩＮＧ ＡＮＤ ＦＯＲＧＩＮＧ
感应加热的温度场仿真模拟计算及探讨
孙格平[１、２] 杨秀霞[１、２] 马大江[１] 朱学刚[１、２] 万 敏[１、２]
(１. 中钢集团邢台机械轧辊有限公司ꎬ河北 ０５４０２５ꎻ２. 轧辊复合材料国家重点实验室ꎬ河北 ０５４０２５)
பைடு நூலகம்
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Ｎｏ. ５ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１８
１ 物理模型及离散方法
按照能量守恒方法ꎬ采用差分法对⌀３００ ｍｍ
圆柱工件进行数值化离散ꎬ分别考虑圆心处、中间
节点及外表面情况ꎬ分别见公式(１) ~ 公式(３)ꎬ
为简化计算ꎬ工业上采用了半无限大平板简 化模式ꎬ其感应电流的作用深度按照 ｅ － ｘ 规律减 少ꎬ为此引入透热深度 δ 的概念ꎬ以此为基准ꎬ在 δ 深度内ꎬ集中了感应能量的 ８６. ５％ [３] ꎬ工业上的 诸多感应设备设计采用了此原则ꎮ 进一步计算ꎬ ２δ 深度则集中了 ９８. ２％ 的能量ꎬ３δ 深度集中的 能量可达到 ９９. ８％ ꎮ 本文利用上述 ３δ 能量集中 原理ꎬ避开复杂贝塞尔函数计算ꎬ对⌀３００ ｍｍ 圆 柱状工件采用差分法进行离散ꎬ进行感应加热温 度场计算ꎬ讨论了不同频率下加热时温度场分布 情况ꎬ有无隔热层对加热效率的影响程度ꎬ无磁和 铁磁性材料感应加热的温度场区别ꎬ同时对比分 析感应加热和常规传热加热( 火焰炉、电阻炉) 工 件温度场差异ꎬ针对感应加热特点ꎬ探讨了实现特 定加热层深温度均匀性的方法ꎮ
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｄｕｒｉｎｇ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｆｏｒ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｎ￣ ｄｕｃｔｅｄ. Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ４５ ＃ ｓｔｅｅｌ ｍａｔｅｒｉａｌꎬ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎｓｉｄｅ ｏｆ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄꎬ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｅａｔｉｎｇ ｍａｎｎｅｒꎬ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙꎬ ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎬ ｓｕｄｄｅｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｓｕｂ￣ｓｕｒｆａｃｅꎬ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ｗｏｒｋｉｎｇ ｌａｙｅｒ ａｌｓｏ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ. Ｂｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｈｅａｔｉｎｇ ｍａｎｎｅｒꎬ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｆｏｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｌａｙｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅ￣ ｓｅａｒｃｈｅｄꎬ ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｈｅａｔｉｎｇ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｃｏｍ￣ ｐａｒｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ.
感应加热的基本原理源于法拉第现代电磁感 应理论[２] :初级线圈电流的变化ꎬ会引起线圈周 围磁场的变化ꎬ变化的磁场又会在附近次级线圈 感应出电流ꎮ 对于感应加热来说ꎬ感应加热线圈 相当于初级线圈ꎬ被加热工件相当于次级线圈ꎬ只 有一匝ꎬ接成短路[１] ꎮ 感应线圈中电流的变化ꎬ 会在工件中产生感应电流ꎬ即我们常说的涡流ꎬ由 于工件材料有电阻ꎬ这些涡流会产生焦耳热ꎬ从而 实现对工件的加热ꎮ 感应加热工件中电流的分布、变化一直是科 研工作者研究的课题ꎬ感应加热涉及电、磁、热等 多个物理场ꎬ而场方程的描述一般是偏微分方程ꎬ
收稿日期:２０１７—１２—１５ 作者简介:孙格平(１９６６—) ꎬ男ꎬ高级工程师ꎬ主要从事带钢轧辊
的研究开发和轧辊模拟仿真技术研究ꎮ
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因而至今仍无完整的数学方法对这些耦合场进行 精确描述ꎬ计算机技术和离散分析技术的发展ꎬ使 得这些偏微分方程求解成为可能ꎮ １９６５ 年ꎬＷｉｎ￣ ｓｌｏｗ Ａ. Ｎ. 首先将有限元法用于电磁场的分析ꎬ 后续科研人员采用各种方法对感应加热的温度场 进行模拟计算ꎬ有些涉及复杂的贝塞尔函数ꎬ有的 基于半无限大平板进行相应简化ꎬ对推动感应加 热的研究起到积极作用ꎮ
摘要:对圆柱类工件感应加热过程温度场进行仿真模拟计算ꎬ以 ４５＃钢材质为基础ꎬ研究了不同电流频率 下圆柱类工件内温度场分布ꎬ讨论了加热方式、频率、磁性、隔热保护等对加热效率、次表层温度突升、工作层温 度均匀性的影响ꎮ 通过改变加热方式ꎬ探讨了提高工作层温度均匀性的方法ꎬ同时将感应加热和常规传热加热 模式温度场进行了对比分析ꎮ