基于有限元和边界元方法的轴类感应加热分析及数值模拟

《基于有限元和边界元方法的轴类感应加热分析及数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、中文摘要感应加热具有加热速度快、物料内部发热效率高、加热均匀，且具有产品质量好、几乎无污染、可控性好及易于实现生产自动化等一系列优点，因此近年来得到了迅速发展。随着对其工艺与精度要求的不断提高，对感应加热进行数值模拟就显得更加重要。随着有限元技术的高速发展，很多研究人员开始了基于有限元方法的感应加热数值模拟研究，并已经取得了一定的成果，但是也存在诸如计算量大，需人为设定边界的不足；边界元方法是从有限元方法发展而来的一种比较新的数值模拟方法，在处理电磁场仿真计算中有着独特的优势，如可以降低求解问题的

2、维数、比较简单地处理无穷远边界条件等，为感应加热的数值模拟技术开辟了新的途径。本文以电磁场和温度场的基本原理为基础，分别建立轴对称工件的有限元和边界元分析模型，并运用通用有限元分析软件ANSYS实现了感应加热中电磁一热耦合场的有限元仿真计算，运用MATLAB实现了感应加热中电磁场的边界元仿真计算。首先，给出了轴类工件感应加热的电磁一热耦合场有限元模型，在电磁场建模过程中，重点介绍了矢量磁势与标量电势法数学模型的运用；在温度场建模过程中，主要分析了非线性瞬态温度场的控制方程。最后给出了电磁场和温度场

3、耦合计算的原理和流程。其次，给出了轴类工件感应加热的电磁场边界元模型，并利用一种表面电流的近似方法，用拉普拉斯方程的基本解代替亥姆霍兹方程基本解用于感应加热电磁场的边界积分方程，降低了基本解在边界上的奇异性，避免了细分边界及其所带来的大计算量。最后，利用有限元分析软件ANSYS，对谐性电磁场和瞬态温度场进行耦合计算，得到了轴类工件在相同载荷不同加热时间的温度分布；利用MATLAB编程实现了谐性电磁场的边界元计算，得到了工件在加热过程中电磁场的分布。试验结果与理论分析和实际测量结果基本一致。关键词：

4、感应加热；有限元法；边界元法：电磁场；温度场ABSTRACTInductionheatingisfast，efficientandwell-proportioned，anditpossessesmanyadvantagessuchashigh-gradeproduction，nopollution，goodcontrollabilityandeasytobeautomatized，SOitdevelopedveryfastintherecentyears．Astherequiredtechniqu

5、esandprecisionforinductionheatinggethigherandhi【gher,thenumericalsimulationofitbecomesmoreandmoreimportant．Asthefastdevelopmentoffiniteelementmethod(FEM)，manyresearchersbegintodothenumericalsimulationbyit,andmanyachievementshavebeenmade，butitalsohasso

6、medisadvantagessuchasvastcomputationandintroducingarbitraryboundaries；Boundaryelementmethod(BEM)isanewnumericalsimulationmethoddevelopedfromFEM．ithasuniqueadvantagesinsimulatingelectromagneticfield，reducingthedimensionoftheproblem，dealingwiththeinfini

7、teboundarysimplyandSOon，blazinganewwayinthenumericalsimulationofinductionheating．Inthisthesis，the2．DaxisymmetricFEMandBEMmodelisbuiltbasedonthefoundationalprinciplesofelectromagneticfieldandthermalfield，theelectromagnetic—thermalcouplingfieldofinducti

8、onheatingissimulatedwithFEMbyuniversalFEMsoftwareANSYSandtheelectromagneticfieldoftheinductionheatingissimulatedwithBEMbyMATLAB．Firstly,theFEMmodelispresentedforsolvingthecouplingfieldsofaxisymmetricbilletininductionheatingprocess．Thechoiceoft