半组合式曲轴感应加热过程的数值模拟.pdf

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1、制造技术／32艺装备现代制造工程(ModernManufacturingEngineering)2012年第9期半组合式曲轴感应加热过程的数值模拟庄宏，梁明明，唐文献，苏世杰(江苏科技大学机械工程学院，镇江212003)摘要：从麦克斯韦方程组和导热微分方程出发，导出了感应加热工件的电磁场、温度场分布基本方程；并以电磁场和温度场有限元分析为基础，建立了有限元分析模型。利用通用有限元软件ANSYS对大型半组合式船用曲轴红套感应加热过程进行仿真分析，得到了工件温度分布图，并通过实验进行了验证，为其红套工艺的制定提供了参考和依据。关键词：曲轴；感应加热；数值模拟中图分类号：THl

2、33文献标志码：A文章编号：1671—3133(2012)09—0079—05Numericalsimulationofinductionheatingprocessforsemi--built·-upcrankshaftZhuangHong，LiangMingming，TangWenxian，SuShijie(SchoolofMechanicalandEngineering，JiangsuUniversityofScienceandTechnology，Zhenjiang212003，Jiangsu，China)Abstract：AccordingtoMaxwell’s

3、equationsandheat—conductiondifferentialequation，amathematicalmodalwasdevelopedtode—scribethedistributionofelectromagneticfieldandthermalfieldintheworkpiecesforinductionheating．AndbasedontheFiniteElementMethod(FEM)analysisforelectromagneticandthermal‘fields，aFEMmodelwasbuilt．Thesimulationo

4、finductionheatingprocessinlargesizesemi—built-upcrankshaftshrinkfittingiscarriedoutbyusingFEMsoftwareANSYSwithtemperaturedistributioncalculated，providingreferenceandevidencefortheestablishmentofitsheatingprocess．Keywords：crankshaft；inducingheating；numericalsimulation0引言1曲轴感应加热数学模型曲轴是船舶发动机

5、中最重要的零件，它不仅形状复杂，而且质量要求严格。大型船用柴油机曲轴较多采用半组合式结构，半组合式曲轴的套合工艺有油压套和红套两种，目前绝大多数采用红套工艺⋯。因此，研究曲轴红套感应加热过程，特别是曲轴的曲拐内温度的分布状况对提高曲轴红套工艺质量具有重要意义。感应加热过程中被加热对象内部除了电磁转换生热和热传导外，材料的各种物理参数也在不断发生变化，因此，加热温度场的变化十分复杂。近年来，随着计算机的发展，人们开始利用数值方法来分析感应加热问题皿。。其中的有限元法，由于功能完善、计算精确，可以方便地求解复杂形状制件的感应加热问题。本文以某型号船用柴油机曲轴为例，采用效率高

6、、材料损耗小、无污染、非接触式的中频感应加热方法进行红套工艺研究，并利用ANSYS软件对曲轴的曲拐感应加热过程进行数值模拟，为科学地分析加热过程及制定红套装配工艺提供理论指导。1。1感应加热原理感应加热原理就是在被加热金属工件外侧绕上一组感应线圈，当感应线圈中流过某一频率的交流电流时，就会产生交变磁通，而交变磁通又会在被加热的金属工件中产生感应电势，进而产生感应电流，产生热量，从而实现了对金属工件的加热。电磁感应加热原理如图1所示。感应加热实质就是利用电磁感应在导体内产生的涡流发热来达到加热工件的目的。曲轴的感应加热(即曲轴的曲拐感应加热)是由感应线圈中的交变电流产生交变

7、磁场，其磁力线不断切割曲轴，在曲轴的曲拐主轴孔(简称主轴孔)内表面激起感应电流(涡流)，涡流在曲轴局部流动的过程中需要克服曲轴自身电阻而产生的焦耳热，该焦耳热直接在曲轴内部生成，形成加热的内热源。1．2数学模型的建立1．2．1电磁场数学模型描述电磁场在空间分布和传播的数学方程是麦792012年第9期现代制造工程(ModemManufacturingEngineenng)／／f＼图I电磁感应加热原理克斯韦方程组，其微分形式为”J：VD=p(1)V×E=一OB／Ot，(2)VB=0(3)VXH=J+aD／Otl=J。+_，。+OD