42CrMo钢轴类件变功率感应加热数值模拟研究

论文摘要

在现代的工业加热领域,感应加热技术已经得到了广泛应用,相对于电阻加热、火焰加热等传统的加热方式,感应加热的加热效率已经提升了很高的一个数量级;对于改进传统工艺、更新传统工业装备、节约能源减少温室气体排放已做出很大贡献。但就对感应加热本身来讲,尤其是钢铁材料的感应加热方面,其加热效率还存在着很大的提升空间。感应加热设备在对钢铁材料加热时,设备功率因数会在钢铁材料超过居里点时明显下降很多。如何精确控制功率输出、合理的最优化设备参数,从而有效地提升功率因数即提高加热效率,有着广阔的研究前景。由于感应加热过程是一个复杂的非线性电、磁、热多物理场耦合过程,感应加热的有限元模拟和参数优化一直是困扰感应加热精确控制的瓶颈。不同物理场耦合分析已成为阻挡当前交叉学科、融合研究的重要问题。在仿真领域,耦合分析已成为仿真领域的前沿课题。而建立感应加热耦合仿真分析平台成为本文的重要工作之一。本文基于COMSOL多物理场耦合分析软件,应用其基于偏微分方程组的核心算法,引入42CrMo钢相对导磁率、电阻率、热传导系数和比热容的时变函数,结合感应加热数学模型建立了42CrMo钢感应加热分析平台。现有工业应用中,感应加热一直沿用恒功率输出状态的连续时间控制方式,或完全凭借人工经验的间断加热时间控制方式,进行对感应加热功率输出的间接控制。本文提出连续变功率输出的直接控制方式。加入等效全功率和等效半功率模拟与实验组进行模拟及实验对照,在分析平台和60KVA超音频感应加热设备上分别进行了模拟计算和验证性实验,证明了变功率感应加热输出的可行性及对于提高功率因数得有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 感应加热理论的提出及发展历程
• 1.3 选题的意义及应用前景
• 1.4 本文的研究方法及内容
• 第2章 感应加热原理
• 2.1 电磁感应
• 2.2 集肤效应
• 2.3 热传导
• 2.4 邻近效应和圆环效应
• 2.5 本章小结
• 第3章 感应加热有限元分析基本原理
• 3.1 计算电磁学
• 3.2 电磁场有限元分析
• 3.2.1 磁矢位
• 3.2.2 边界条件
• 3.3 温度场有限元分析
• 3.3.1 基本方程
• 3.3.2 边界条件
• 3.4 本章小结
• 第4章 COMSOL 中的感应加热分析
• 4.1 COMSOL 软件介绍
• 4.2 COMSOL 软件中感应加热数学模型
• 4.2.1 电磁场模型
• 4.2.2 温度场模型
• 4.2.3 耦合场模型
• 4.3 COMSOL 软件典型分析过程
• 4.4 分析问题的假设
• 4.5 材料模型
• 4.6 边界条件和网格划分
• 4.6.1 边界条件
• 4.6.2 网格划分
• 4.7 求解和后处理
• 4.8 本章小结
• 第5章 变功率感应加热系统模拟计算与分析
• 5.1 变功率感应加热系统的提出
• 5.2 变功率控制的实现方法
• 5.3 变功率感应加热模拟
• 5.3.1 对比设定
• 5.3.2 常数和函数定义
• 5.3.3 变功率曲线引入
• 5.3.4 网格处理和藕合关联
• 5.3.5 求解参数
• 5.4 后处理
• 5.4.1 电磁场分析结果
• 5.4.2 温度场分析结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 变功率感应加热系统实验与分析
• 6.1 变功率输出感应加热实验系统
• 6.2 实验系统要点
• 6.2.1 控制程序的编制
• 6.2.2 控制信号的引入
• 6.2.3 红外测温结果修正
• 6.2.4 感应器的几何参数和实验件的制备
• 6.2.5 定位装置与隔热
• 6.3 实验结果分析
• 6.3.1 方案一分析
• 6.3.2 方案二分析
• 6.3.3 方案三分析
• 6.3.4 心表温差分析
• 6.3.5 功率因数分析
• 6.4 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