论文题目: 平板移动感应加热磁—热耦合场数值模拟研究
论文类型: 硕士论文
论文专业: 控制理论与控制工程
作者: 程亦晗
导师: 周跃庆
关键词: 感应加热,有限元法,数值模拟,电磁热耦合场,软件
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 随着科学技术的发展,对制造业提出了越来越高的要求,热处理作为保证制造业产品内在质量的重要环节得到了普遍的重视。感应加热利用工件中涡流的焦耳热效应将工件加热,该方法具有效率高、控制精确、污染少、安全性好等特点,在工业生产中得到了广泛的引用。然而基于试验的传统设计方法耗时费力,并且成本高,随着对工艺与精度要求的不断提高,数值模拟技术在感应加热中的应用具有重要的意义。本文根据感应加热原理,研究并实现了板形工件移动式感应加热过程磁—热耦合场的数值模拟计算,运用通用有限元分析软件ANSYS的耦合计算流程,对实际的工件感应加热过程进行仿真。首先,建立了板形工件感应加热问题的耦合场数学模型。为了实现高效的计算,涡流场的计算引入磁矢量位法,进行必要、合理的化简。对感应加热过程建立了温度场数学模型。对涡流场和温度场方程分别应用伽辽金法进行了离散,得到了三维非线性耦合场的有限元计算模型。针对工件在感应加热过程中的移动,提出了求解一个薄片模型在各个时刻的加热情况的方法,将目光聚焦在工件的某一点上,从工件进入感应器到出感应器,目光始终追随着这一点移动,这样我们将观察到工件这一点上的由室温到高温各个时刻的整个加热情况,来模拟整个工件移动中的加热问题。其次,利用有限元分析软件ANSYS的物理环境的概念进行电磁场和温度场的顺序耦合分析。计算了不考虑参数随温度变化的铁磁性工件、非铁磁性工件、不同频率和电流密度下铁磁性工件等情况下的加热。通过观察电磁场、感生涡流分布、温度场分布的过程,与理论对比,验证了计算模型和计算方法的正确性。最后,对感应加热过程的实际应用工况进行了仿真计算。从温升、功率等多方面对计算结果进行了分析和验证,证明了通过有限元模拟计算不但实现了对移动式感应加热过程的计算分析,而且对工程实际具有一定的指导意义。
论文目录:
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题的工程背景
1.2 感应加热的原理及其主要特点
1.3 感应加热技术的数值计算概述
1.4 感应加热数值模拟国内外的研究动态
1.5 本课题的研究方法和意义
1.5.1 课题需要解决的主要技术问题及技术路线
1.5.2 理论和应用方面的意义
1.5.3 ANSYS 软件介绍
1.6 本章小结
第二章 平板感应加热电磁场有限元理论基础
2.1 引言
2.1.1 偏微分方程解法
2.2 平板电磁场有限元计算数学模型
2.2.1 Maxwell 方程组及其分解
2.2.2 用磁矢量位法分析三维涡流场
2.2.3 材料随温度变化的非线性电磁场有限元解法
2.3 ANSYS 软件中的电磁场（涡流场）分析简介
2.4 本章小结
第三章 平板感应加热温度场有限元理论基础
3.1 平板温度场有限元计算数学模型
3.1.1 热传导的数学模型
3.1.2 感应加热温度场分布的计算方法
3.1.3 材料随温度变化的非线性温度场有限元解法
3.2 ANSYS 软件中的热分析简介
3.3 本章小结
第四章 在 ANSYS 软件上实现感应加热模拟的关键问题研究
4.1 引言
4.2 模拟计算实现的基本过程及步骤
4.2.1 ANSYS 软件的两种耦合分析方法
4.2.2 模拟计算实现的基本过程及步骤
4.2.3 材料物理参数变化的磁、热耦合模拟计算流程
4.3 模拟计算实现的几个关键问题的研究
4.3.1 模拟工件移动的实现
4.3.2 关于加热过程中辐射和空气对流现象的处理
4.3.3 关于模型线圈与感生电流相互影响的处理
4.4 本章小结
第五章 移动式感应加热模拟仿真实例及结果分析
5.1 仿真实例1.铁磁性工件不考虑参数变化的加热结果验证
5.1.1 感生涡流分布特性的验证
5.1.2 工件上下表面温度差的验证
5.1.3 加热功率的验证
5.2 仿真实例2.非铁磁性工件不考虑参数变化的加热
5.3 仿真实例3.频率对铁磁性工件加热效果的影响
5.4 仿真实例4.不同电流密度的加热情况分析
5.5 本章小结
第六章 感应加热过程的实际工况模拟
6.1 考虑参数变化的移动式感应加热
6.1.1 感生涡流分布的变化规律分析
6.1.2 温度分布的变化规律分析
6.1.3 加热功率的变化规律分析
6.2 水火弯板工艺实际工况的模拟
6.2.1 水火弯板工艺简介
6.2.2 实际工况模拟计算及结果分析
6.3 本章小结
第七章 总结与展望
参考文献
发表论文和科研情况说明
致谢
发布时间: 2007-04-17
参考文献
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