石蜡驱动器感应加热耦合场的数值模拟

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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。

石蜡相变蓄热过程数值模拟_王哲斌

第 24 卷第 2 期 2008 年 6 月
北京建筑工程学院学报 Journal o f Beijing U niversity of Civil Engineering and A rchitecture
文章编号 :1004-6011(2008)02 -0010 -04
V ol.24 N o .2 Ju n .2 00 8
(8)
边界条件时间条件
r =r0 时 , T =T w , u =0 , v =0
r =r1 时 ,
T r
=0 ,
u =0 ,
v =0
x =B 时 ,
T x
=0
,
u =0 ,
v =0
时间条件
τ=0 时 , T =T ini , u =0 , v =0
12
3 数值模拟及结果分析
北京建筑工程学院学报
图 1 物理模型
2 数学描述
2.1 忽略液相自然对流影响的数学描述由于忽略熔化中液态自然对流的影响 , 蓄热过
程只包括纯导热 , 因此其数学描述只包括能量守恒方程 , 如
Hτ=λΔ2 T
(1)
∫T
式中 :H =h +ΔH , h =href + cpd T , ΔH =f L ,
T
ref
H 为总焓 , h 为显热部分的焓 , L 为液化潜热 , f 为
1 物理模型
石蜡蓄热装置的单元模型为柱型结构 , 如图 1 所示 , 选用石蜡 RT 54 , 其平均相对分子质量为 377 , 熔点为 54 ～ 56 ℃, 熔化热为 179 kJ/ kg , 固态和液态的比热容分别为 1.8 kJ/kg·K 和 2.4 kJ/ kg·K , 固态和液态的密度分别为 900 kg/m 3 和 760 kg/ m3 , 导热系数为 0.2 W/m ·K[ 3] .中心加热元件半径为 20 mm , 蓄热石蜡的半径在 60 mm ～ 100 mm 之间变化 . 数值计算采用以下基本假设 :①石蜡纯净、各向同性 ;②相变温度恒定为常数 ;③相变介质固、液两相物性参数为常数 , 不随温度发生改变 ;④不考虑固液两相密度差诱发的流动 ;⑤满足 Boussinesq 假设 , 只在浮升力项中考虑流体密度的变化 .

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。

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）。

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的开题报告

基于有限元和边界元方法的轴类感应加热分析及数
值模拟的开题报告
本文选题为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。

该课题是针对轴类零件加热工艺进行数值模拟和分析，旨在提高轴
类零件加热工艺的效率和质量，减少生产成本。

本文的研究内容主要包括以下几个方面：
1. 轴类零件的感应加热原理。

介绍轴类零件感应加热的基本原理和
加热方式，以及其适用范围和局限性。

2. 有限元方法在轴类感应加热中的应用。

介绍有限元方法在轴类感
应加热中的应用，包括计算模型的建立、参数设置和求解方法等。

3. 边界元方法在轴类感应加热中的应用。

介绍边界元方法在轴类感
应加热中的应用，并进行对比分析。

4. 数值模拟和仿真。

运用有限元方法和边界元方法对轴类零件不同
加热状态下的温度场、应力场等进行数值模拟和仿真，并对模拟结果进
行分析。

5. 实验验证。

进行实验验证，验证数值模拟结果的准确性和可靠性。

本文采用文献调研和实验验证相结合的方法，通过对轴类零件加热
工艺的数值模拟和实验验证，得出加热工艺参数的优化方案，提高加热
工艺效率和质量。

该课题研究的意义在于提高轴类零件加热工艺的效率和质量，减少
生产成本，将有益于企业的生产和发展。

感应淬火数值模拟研究

ａｌｇｅｂｒａｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｓｆｏｒｍｅｄｂｙＦＥＭ，ｗｈｉｃｈｒｅｓｕｌｔｓｉｎｒｅｄｕｃｉｎｇａｍｏｕｎｔｓｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
ａｎｄａｌｏｗｅｒｍｅｍｏｒｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｎｄｔｈｅｒｍａｌｆｉｅｌｄｉｓ
ｕｓｅｒ’Ｓｋｎｏｗｉｎｇｉｔｓ埘ｎｃｉｐｌｅ，ｔｈａｔｍａｋｅｉｔｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｔｏｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃｉａｎｗｈｏｉｓｎｏｔ
ｆａｍｉｌｉａｒｗｉｔｈｅｉｔｈｅｒｔｈｅＦＥＭｏｒｗｉｔｈＡＮＳＹＳ．ＴｈｅｓｉｍｐｌｅｓｏｆｔｗａｒｅＣａｌｌｈｅＩｐｔｈｅｍｔｏｄｅｓｉｇｎａｎｉｎｄｕｃｔｏｒｏｒｃｈｏｏｓｅｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆａｎｉｎｄｕｃｔｉｏｎｈｅａｔｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＩｎｄｕｃｔｉｏｎＨｅａｔｉｎｇＱｕｅｎｃｈｉｎｇ，ＦｉｍｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ，ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄ，ＴｈｅｒｍａｌＦｉｅｌｄ，Ｃｏｕｐｌｉｎｇ，ＳｅｃｏｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ
首先，根据感应淬火过程中包含多种介质（工件、感应线圈、空气）和多种场（电磁场、温度场）的特点，比较各种数值模拟方法的优劣，选择有限元方法对感应淬火加热过程进行模拟。在建立数学模型的过程中，将电磁场和温度场分开建模，充分考虑分析对象轴对称的特点，将模型进行简化，以减少计算量。在电磁场建模过程中，重点考虑了势函数的选择问题；在温度场建模过程中，主要分析了各种热传递方式对于暂态热分析的影响。在对有限元法形成的代数方程组的解算方法选择中，采用了预处理共轭梯度法，在很大程度上减少了计算量，降低对ｔｔｃｇ机内存的要求。

钢板横向感应加热磁-热耦合的有限元数值模拟

钢板横向感应加热磁-热耦合的有限元数值模拟
邢淑清;王强;李慧琴;麻永林
【期刊名称】《工业加热》
【年(卷),期】2009(038)002
【摘要】采用电磁-热耦合二维有限元法模拟钢板感应加热,得到了加热频率和电流密度对加热时间、加热速度和温度均匀性的影响.结果表明,采用U型线圈加热钢板,可以形成一个完整的磁回路,符合感应加热钢板的要求;频率增加能够缩短加热时间和扩大钢板温度的温差;而电流密度增加,加热时间缩短,其对温度均匀性的影响则随电流增加温差增大.
【总页数】4页(P8-11)
【作者】邢淑清;王强;李慧琴;麻永林
【作者单位】内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古,包头,014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古,包头,014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古,包头,014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古,包头,014010;东北大学,轧制技术与连轧自动化国家重点实验室,辽宁,沈阳,110066
【正文语种】中文
【中图分类】TG155.2
【相关文献】
1.平板感应加热磁-热耦合场的数值模拟研究 [J], 孙彬彬;麻永林;陈重毅;陈雪霏;范宇静
2.基于磁-热耦合有限元法的挤出机电磁感应加热温度场模拟研究 [J], 王超;柴雄
3.通过横向磁流感应加热连续退火薄钢板 [J], Lasd.,SB;欧阳三山
4.移动式平板感应加热磁热耦合的数值模拟 [J], 周跃庆;高忠科;武猛
5.连续运动薄板横向磁通感应加热耦合场分析新方法 [J], 杨晓光;汪友华
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大型轴类件电磁感应加热数值模拟和实验分析

大型轴类件电磁感应加热数值模拟和实验分析作者：章德斌来源：《科技创新与应用》2015年第28期摘要：电磁感应加热作为一种高效清洁的加热方式，被广泛应用于轴类零件的加热和热处理，但其存在的强电磁干扰和工件表面氧化铁皮给内部温度检测带来很大困难。

而在轧辊等大型轴类零件的表面感应淬火热处理工艺中，表层加热温度梯度对淬火热处理组织和应力有着非常重要的影响。

为此，文章基于有限元软件MSC.MARC，建立了轴类件感应加热过程的电-磁-热耦合有限元模型，研究了感应加热电流和频率对工件表面温度梯度的影响规律。

并设计出一种接触式温度测量方法，解决了感应加热过程试件内部温度梯度的精确监测和实验验证问题。

关键词：轴类件；电磁感应；数值模拟；接触式测温引言轴类件作为机械装备关键部件，工作过程中多承受弯矩和扭矩等复杂组合载荷，为使其满足服役力学性能和表面耐磨性等要求，在实际生产中广泛采用各类热处理工艺来保证轴类件的特殊性能要求[1]。

电磁感应加热，以其加热速度快、温度分布均匀、内应力差异小等优点而广泛应用于表面淬火等热处理工艺中[2-4]。

实践表明，淬火工件的温度梯度直接影响产品最终组织类型和应力分布。

然而，感应加热过程中存在的强电磁场给传统热电偶接触测温方法带来很大困难，而由于工件表面氧化铁皮会使红外波形和辐射率发生改变。

目前，常用的红外表面测温方法也存在一定的局限性[5-6]。

为此，文章提出一种基于热电偶接触式温度测量的电磁感应测温方法，通过不同时刻断电瞬间的无磁干扰以及时间离散重复测试数据重构，实现了感应加热过程试件内部温度梯度的精确监测。

并结合感应加热理论与传热学理论，采用有限元法建立感应加热过程电磁场、温度场的计算模型，通过有限元与实验相结合的办法，研究了频率、电流、功率、时间等工艺参数对工件内部温度场分布的影响规律，为大型轧辊等工业重要轴类零件的表面淬火热处理中的感应加热数值预测提供依据。

1 高频感应加热的理论模型2 轴类件高频感应加热的数值计算电磁场和温度场的数值模拟采用大型商业有限元软件MARC来实现。

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会使得微驱动器的运动灵活性、动距离和行走路线移受到限制。如果微驱动器能对某一个外场敏感或者从
温度及其分布进行了数值模拟。介绍了正弦电流感应加热中电磁一热耦合分析的数学模型和分析
步骤，石蜡的固一液相转变分析和玻璃有效导热系数处理。结果表明，值模拟算法是非常有效的。数模拟结果与实验测试结果具有非好的一致性。关键词：感应加热有限元耦合场石蜡玻璃
ＭａｈｍａｉａｍｕａｉｎｉｎｕｔｎＨｅｔｇｆｕｌｄＦｅｄｆＰｒ什ｎＡｃｕｔｒｔｅｔｌｃＳｉｌｔｎＩｄｃｉａｉｏｒｏｏｎＣｏｐｅｉｌｓｏａａｉｔａｏ
ＣＨＥＮｎｙ￣Ｂｉｇａ
感应加热温度及其分布是否精确和均匀，直接将关系到石蜡驱动器应用的成败。因此，须对感应加必
当压力为２０Ｍａ其体膨胀系数可以达到１％。０Ｐ时，５这就使石蜡在高功率驱动器方面，具有巨大的应用潜力。目前，乎所有的石蜡驱动器都采用有线方式供几能¨ ］工。对于移动微驱动器来说，用有线方式供能，采
ａｄｔｅｃｍｐｒｓｎｂｔｅｕｒｃｌａｄｅｐｒｎａｅｕｔｓｏｓａｘｅｌｎｇｅｍｅｔｎｈｏａｉｅｗｅｎｎｍｅａｎｘｅｍｅｔｌｒｓｌｈｗｎｅｃｌｔａｒｅｎ．ｏｉｉｓｅ
ｄｃｉｎｈａｉｇｏａａｆｈｒｌｅｐｎｉｎａｔａｏｒｉｌｔｄｂｄｆｄＡＮＳｏｔｒｉｕｔｅｔｆｐｒｆｎｔｅｍａｘａｓｃｕｔｒａｅｓｏｎｉｏｍｕａｅｙｍｏｉｅｉＹＳｓｆｗａｅｗｔｈｏｅｄｍｅｓｏｘｓｓｍｍｅｒａｄ１ｈｔｅｔａｄｌｎｉｌｔｎｐｏｅｕｅｄｖｌｐｄｆｒｎｉｎｉｎａｉｙｔｃｌｍｏｅ．Ｔｅｍａｈｍａｉｌｉｃｍｏｅｄｓｍｕａｉｒｃｄｒｅｅｏｅｏａｏ
石蜡驱动器感应加热耦合场的数值模拟
陈兵芽① 刘莹① ②
（南昌航空大学自动化学院， ① 江西南昌３０６；３０３
② 南昌大学机电工程学院，江西南昌３０３）３０１
摘要：合实验结果，结应用改进的ＡＮＹＳ软件，用一维轴对称模型对石蜡热膨胀驱动器中频感应加热Ｓ采
ｃｕｌｎｌｃｒｍａｎｔｃａｄｔｅａｙｉａｅｏｎｅｅａｅｙｅｔｒａｉｕｏｄｌｃｒｅｔｎｏｐｉｇｅｅｔｏｇｅｉｎｈｒｌｐｈｓｃｐｈｎｍｅａｇｎｒｔｄｂｘｅｎｌｓｎｓｉａｕｒｎｓｉｍｌｉｄｃｉｎｈａｉｇａｅｐｏｓｄｎｕｔｏｅｔｒｒｐｏｅ．Ｔｈｅｐｒｆｎｐａｅｃｎｇｒｃｓｒｍｏｉｏｌｑｉｎｈｅｅｆｃｉｅｎａａｆｈｓｈａｅｐｏｅｓｆｏｓｌｄｔｉｕｄａｄｔｆｅｔｖｉｔｅａｏｄｃｉｉｆｇａｓａｅａｓｒｓｎｅ．Ｉｓｓｏｈａｈｉｌｔｏｔａｅｙｉｅｙｅｆｃｉｅ，ｈｒｌｃｎｕｔｔｏｌｓｒｌｏｐｅｅｔｄｔｉｈｗｎｔｔｔｅｓｍｕａｉｎｓｒｔｇｓｖｒｆｅｔｖｍｖｙ
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ａｃｏｄｎｏｔｅｅｐｅｉｎａｅｕｔｃｒｉｇｔｈｘｒｍｅｔｌｒｓｌｓ，ｔｅｔｍｐｅａｕｅａｄｉｓｄｓｒｂｔｏｎｉｔｒｄｉｔｅｕｎｙｉ — ｈｅｒｔｒｎｔｉｔｕｉｎｉｎｅｍｅａｅｆｑｅｃｎｉｒ
Ｋｅｙｗｏｄｒｓ：ＩｄｃｉｎＨｅｔｎｎｕｔａｉｇ；ＦｉｔｅｎｔＭｅｈｄ；ＣｏｌｄＦｅｄｓａａｆｎ；ＧｌｓｏｎｉＥｌｍｅｔｏｅｕｐｅｉｌ；Ｐｒｆｉａｓ
石蜡在其熔点温度附近具有很大的体膨胀系数，
。
ＬＵＹｉｇＩｎ①
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