直缝焊管中频感应加热过程有限元模拟

论文摘要

高频直缝焊管的质量主要取决于焊缝的质量,在高频焊接时,加热区的组织由于高温,晶粒变粗。如果焊接区随后快冷下来,会形成硬而脆的相,由于温度梯度的存在也会产生焊接应力。如果不进行热处理,会严重影响焊管的使用寿命。直缝焊管中频感应热处理工艺就是利用中频电流的电磁感应加热原理对直缝焊管的焊缝和热影响区进行定向热处理,是对焊管焊缝进行热处理的主要方式,同时在其他很多生产过程中也有广泛应用。通过对中频感应热处理的有限元模拟不仅能反映工件内部电磁场,涡流场和温度场的变化规律,而且对于减少试验成本,提供感应器设计的指导原则和改进工艺参数具有实际指导意义。为了研究感应加热温度场及各主要参数对热处理的影响,本文利用ANSYS有限元软件,进行了直缝焊管中频感应加热过程的有限元模拟。本文研究工作的主要内容包括:(1)在分析直缝焊管中频感应热处理基本原理的基础上,确定了实体模型、网格划分、边界条件和材料属性等问题,通过APDL语言,建立了中频感应加热的有限元模型,利用ANSYS对中频感应加热过程进行了有限元模拟。(2)得出了电流密度、电流频率和线圈间隙与加热效率之间的关系,为优化中频感应加热热处理工艺参数提供了参考依据。(3)模拟分析了实际工况下感应加热的温度场,所得结果与实测结果基本一致。(4)针对实际工况中存在的焊缝未加热透的问题,提出了延长感应加热时间和在焊管内再加一个感应线圈的解决方法,并进行了模拟计算分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题的主要研究内容及研究意义
• 第2 章中频感应加热的基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 中频感应热处理原理
• 2.3 电磁场分析
• 2.3.1 电磁基本原理
• 2.3.2 集肤效应与临近效应
• 2.4 温度场分析
• 2.4.1 热传递的几种方式
• 2.4.2 温度场有限元理论基础
• 2.5 本章小结
• 第3章 中频感应加热数值方法及数学模型
• 3.1 引言
• 3.2 电磁场计算的数学模型
• 3.2.1 规范变换
• 3.2.2 涡流有限元分析中势函数的选择
• 3.3 温度场计算的数学模型
• 3.4 ANSYS 软件简介
• 3.4.1 ANSYS 典型的分析过程
• 3.4.2 ANSYS 软件中的电磁场分析
• 3.4.3 ANSYS 软件中的热分析简介
• 3.4.4 耦合场分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 直缝焊管中频感应热处理过程有限元模型
• 4.1 引言
• 4.2 模拟方案
• 4.3 直缝焊管中频感应加热处理过程有限元模型的建立
• 4.3.1 假设条件与关键技术问题的处理
• 4.3.2 材料属性
• 4.3.3 单元选择与网格划分
• 4.3.4 电磁物理环境的创建
• 4.3.5 热物理环境的创建
• 4.3.6 电热耦合循环计算的实现
• 4.4 有限元求解
• 4.5 本章小结
• 第5章 中频感应热处理过程模拟结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 总体分析
• 5.2.1 电磁场计算结果分析
• 5.2.2 温度场计算结果分析
• 5.3 第一个中频感应加热过程中各参数对加热效率的影响
• 5.3.1 电流频率对加热效率的影响
• 5.3.2 电流密度对加热效率的影响
• 5.3.3 线圈与焊缝间隙对加热效率的影响
• 5.4 第二个中频感应加热过程中各参数对加热效率的影响
• 5.4.1 电流频率对加热效率的影响
• 5.4.2 电流密度对加热效率的影响
• 5.4.3 线圈与焊缝间隙对加热效率的影响
• 5.5 实际工况下的有限元模拟
• 5.5.1 实际工况下的工艺参数及有限元模型
• 5.5.2 实际工况下有限元模拟温度分布结果
• 5.5.3 实际工况模拟计算结果与实测结果对比
• 5.6 Φ 219 × 2 mm 焊管的有限元模拟
• 5.7 频率 400 Hz 的模拟研究
• 5.8 延长加热时间的模拟研究
• 5.9 焊管内部加线圈的模拟研究
• 5.9.1 焊管内部加线圈的有限元模型
• 5.9.2 焊管内部加线圈的有限元模拟结果分析
• 5.10 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介