船体板高频感应加热的多场耦合数值分析.pdf

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1、第40卷第6期2011年12月船海工程SHIP&0CEANENGINEERINGV01．40No．6Dec．20“DOI：10．3963／j．i8sn．1671-7953．2011．06．007船体板高频感应加热的多场耦合数值分析杨玉龙，张雪彪，刘玉君(大连理工大学船舶工程学院；工业装备结构分析国家重点实验室，大连116024)摘要：针对船体曲面板的感应加热成形过程，基于c0Ms0LMultiphysics软件建立钢板静止式高频感应加热的二维数值模型。通过数值分析，研究钢板加热和水冷过程中温度场的分布规律和变形情况。结果表明：钢板温度场和板面局部收缩量的模拟结果与实验测鼍

2、值一致；加热开始后，钢板加热线上的温度很快达到居里点，然后保持稳定；在变化趋势上，上下板面的温差曲线和加热线上的垂向挠度变化曲线相似。关键词：船舶工程；船体板；感应加热；数值模拟中图分类号：u663．2文献标志码：A文章编号：167l-7953(2011)06枷24讲船体板高频感应加热，可以准确地控制加热范围、热源能量和温度分布，过程再现性好并且清洁环保。其基本原理是利用线圈中的交变电流在钢板中产生感应涡流，通过涡流的焦耳热效应将钢板加热，钢板上下表面温度不同引起热应力，当热应力超过材料的屈服极限时，钢板冷却后会在内部出现残余的压缩应变¨引。本文基于多物理场有限元分析软件

3、COMSOLMultiphysics，考虑材料属性和热边界条件随温度变化的影响，建立船体板静止式高频感应加热和喷水冷却过程的二维电磁-热一结构耦合模型，通过数值方法研究钢板的温度场分布规律和结构变形规律。1感应加热有限元分析1．1数学模型高频感应加热中描述电磁场的控制方程为麦克斯韦方程组，所有与感应焦耳热相关的量，经过严密的数学推导，都可以用线圈的输入电流J『表示。由毕奥一萨伐尔定律知磁矢势A为A：掣f等(1)斗万古¨。o由高斯定律知，磁通密度B为8=V×A(2)收稿日期：20ll舭一18修回日期：201lm8-16基金项目：国家自然科学基金(50805016)。作者简介

4、：杨玉龙(1988．)，男，硕士生。研究方向：船体板高频感应加热基础E-mail：”r101072@163．com由法拉第电磁感应定律知，电场强度E与磁场强度日分别为v×E：一譬(3)日=旦(4)肛由安培环路定律知，感应加热时钢板中的感应电流密度．，为．，=V×日一旦工点j}盟(5)上述公式经过数学推导运算，可得磁矢势A与感应电流密度．，之间的关系为．，=V×(吉V×A)+矿筹(6)最终可得感应加热过程中涡流产生的焦耳热功率密度g(W／m3)为产g=L(7)式中：鳓——真空磁导率；，l_一介质磁导率；盯——介质电导率；占——介质介电常数。将焦耳热功率密度q作为热源，可推导

5、出感应加热的温度场控制方程。加热过程主要涉及到钢板求解域上的热传导效应和外表面边界上的对流、辐射效应。其中，热传导控制方程为p’勺‘蔷+V。(一j}V"2口(8)式中：p、c，、后——钢板密度、比定压热容和传热系数，均和温度相关。1．2有限元分析钢板感应加热过程示意于图l。船体板高频感应加热的多场耦台数值分析——杨玉尼，张雪彪，刘乇君釜；≥一i=—·，o—I_图l钢板感应加热示意P．、Jp：点为两个温度测量点，加热线位于感应器正下方。钢板感应加热时沿加热线长度方向上温度分布变化不大；感应器装有导磁体，能够有效聚敛磁力线，可以忽略感应器的端部效应3。有限元数值计算时可以进行

6、二维分析，作如下假定。】)加热线长度方向(z方向)上温度均匀分布；2)忽略端部效应。二维数值分析的平面布置见图2。图2二维数值分析的平面布置在图1中实验测温点P2(20，20，一150)温度就等效于图2中尸：(20，20，O)点温度，钢板上表面长度为300mm的加热线，位于感应器的正中间，加热时有一定的加热宽度。点P．(O，】7)和点尸：(20，20)是实验温度测量点，点P。(O，20)是钢板上表面温度计算点，点只。(o，o)位于钢板底部，用于检测钢板背面的温度，这两点均作为数值计算点。钢板感应加热参数见表l。表l钢板静止式感应加热参数表参数项参数值参数项参数值钢板尺寸l

7、200x800×20感应器与钢．／mm板间隙／mm擘璺爹有效300电流频率／，n长度／mm⋯／kHz～线圈材料紫铜管电流强度，／A660譬里謦面10xlo麓加釉4110几寸／mm‘。‘。线圈壁厚l冷却方式正面水冷翌擘导磁体40×20×300冷却时间／s190尺寸／mm’。⋯⋯钢板感应加热的有限元几何模型及边界条件见图3。求解域为钢板、线嗍、导磁体和空气。＼弛H。，j：：牛耐；15：十7(⋯f厂十11冈=+州7墨黔粉，嶷巷；}湮％H?图3钢板感应加热的几何模型及边界条件电磁场控制方程在模型外围的边界条件为磁绝缘，见式(9)；其它