平板移动感应加热磁—热耦合场数值模拟研究

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1、中文摘要随着科学技术的发展，对制造业提出了越来越高的要求，热处理作为保证制造业产品内在质量的重要环节得到了普遍的重视。感应加热利用工件中涡流的焦耳热效应将工件加热，该方法具有效率高、控制精确、污染少、安全性好等特点，在工业生产中得到了广泛的引用。然而基于试验的传统设计方法耗时费力，并且成本高，随着对工艺与精度要求的不断提高，数值模拟技术在感应加热中的应用具有重要的意义。本文根据感应加热原理，研究并实现了板形工件移动式感应加热过程磁—热耦合场的数值模拟计算，运用通用有限元分析软件ANSYS的耦合计算流程，对实际的工件感应加热过程进行仿真。首先，

2、建立了板形工件感应加热问题的耦合场数学模型。为了实现高效的计算，涡流场的计算引入磁矢量位法，进行必要、合理的化简。对感应加热过程建立了温度场数学模型。对涡流场和温度场方程分别应用伽辽金法进行了离散，得到了三维非线性耦合场的有限元计算模型。针对工件在感应加热过程中的移动，提出了求解一个薄片模型在各个时刻的加热情况的方法，将目光聚焦在工件的某一点上，从工件进入感应器到出感应器，目光始终追随着这一点移动，这样我们将观察到工件这一点上的由室温到高温各个时刻的整个加热情况，来模拟整个工件移动中的加热问题。其次，利用有限元分析软件ANSYS的物理环境的概

3、念进行电磁场和温度场的顺序耦合分析。计算了不考虑参数随温度变化的铁磁性工件、非铁磁性工件、不同频率和电流密度下铁磁性工件等情况下的加热。通过观察电磁场、感生涡流分布、温度场分布的过程，与理论对比，验证了计算模型和计算方法的正确性。最后，对感应加热过程的实际应用工况进行了仿真计算。从温升、功率等多方面对计算结果进行了分析和验证，证明了通过有限元模拟计算不但实现了对移动式感应加热过程的计算分析，而且对工程实际具有一定的指导意义。关键词：感应加热；有限元法：数值模拟；电磁一热耦合场；ANSYS软件ABSTRACTWitllthedevelopmen

4、toftechnology,therequirementformanufacturingishigher,heattreatmentisemphasizedforitsimportantroletoqualifytheproducts．TheinducfionheatinggeneratesheatbymeansofJoulehcatingeffectresultingfromaneddycurrent．Itiswidelyusedinindustrialoperationsduetoitshighefficiency,precisecont

5、rol，lowpollutionpropertiesandgoodsecurity．However,thedesignofaninductionheatingsystembasedOilexperimentsCanbetedious，time-consuminganexpensive，Thenumericalsimulationoftheinductionheatingisofgreatvaluebecausetherequiredtechnicsandprecisionarehigher．Inthisthesis，onthebasisoft

6、hecharacteristicsofinductionheating,thenumericalsimulationofelectromagnetic-thermalcouplingfieldoflaminalworkpieceinfloatinginductionheatingprocessisstudiedandrealized．Wimtheu∞oftheflowofcouplingcalculationoftheuniversalFEMsoftwareANSYS，thepracticalinductionheatingquenching

7、processissimulated．Firstly,mathematicalmodelisofferedforsolvingaminalworkpieceininductionheatingprocess．Toimprovetheefficiencyofeddyfieldcalculationwithmagneticvectorpotential，necessarysimplificationisapplied．Andthetransienttemperatureequationsarederived．Thefiniteelementmod

8、elof3-D，non-linereddycurrentfieldandtemperaturefieldisappliedinconjunctionwitlIOal