基于ANSYS的感应加热数值模拟及感应器设计

摘要

目前，在造船生产中，水火弯板工艺被广泛用于船体外板的加工制作。但在实际加工过程中发现，氧—乙炔火焰热源存在很多难以解决的问题和缺陷。随着造船工业的迅速发展，传统的水火弯板工艺逐渐成为整个造船生产流程自动化的瓶颈。因此，寻找一种更加合适的热源已经是迫在眉睫了。本课题正是以此为背景，研究将电磁感应加热这种高效节能的新方法用于船体外板的曲面成型加工过程。本文在前人研究的基础上，通过理论分析、有限元数值模拟等方法，对以下内容进行了研究： 1.参考水火弯板工艺温度场的分布，采用经验设计法设计感应器的形状。 2.建立电磁感应加热过程的有限元模型，通过各种加热参数的组合对电磁感应加热过程进行模拟，找出各加热参数对钢板上温度场分布的影响规律。 3.根据对温度场的数值模拟结果对感应器形状参数进行修正，优化感应器的设计。 4.根据有限元理论，建立了电磁感应加热钢板的热弹塑性变形的有限元数值模型，针对不同的感应加热方式及参数组合对钢板变形进行较为系统的分析，找出各种加热参数对钢板局部变形规律的影响。 5.在总结研究成果的基础上，提出下阶段的研究方向、研究重点的建议。

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

1.1课题的工程背景

1.2传统水火弯板工艺的缺陷

1.3感应加热的原理及其主要特点

1.4课题的研究方法

1.5电磁感应的加热钢板研究现状

1.6感应加热数值模拟的发展现状及动态

1.7本文的工作

2感应加热的基本原理及特点

2.1基本定律

2.1.1比奥-萨法尔定律

2.1.2法拉第电磁感应定律

2.1.3焦尔定律

2.2集肤效应与集肤深度δ

2.2.1集肤效应

2.2.2集肤深度δ

2.3电磁感应加热的方式

2.4电磁感应加热的能量参数

2.5钢板中电磁场建立的滞后时间

3电磁感应加热过程的数值计算方法

3.1引言

3.1.1有限差分法

3.1.2积分方程法

3.1.3边界元法

3.1.4有限元法

3.2电磁场的基本理论

3.2.1安培环路定理

3.2.2法拉第电磁感应定律

3.2.3高斯电通定律

3.2.4高斯磁通定律

3.2.5 Maxwell方程组的微分形式

3.2.6涡流场的Maxwell方程

3.2.7电磁场中常见的边界条件

3.3感应加热电磁场有限元数值模型

3.3.1钢板局部线加热模型

3.3.2基于矢量磁位A的三维涡流有限元模型

3.3.3材料非线性电磁场的数值计算

3.4钢板中温度场的有限元计算

3.4.1感应加热温度场的数学模型

3.4.2材料非线性温度场的计算方法

3.4.3感应加热的能量热损失

3.5感应加热过程的热弹塑性有限元计算方法

3.5.1材料塑性变形过程中的基本准则及假定

3.5.2材料热弹塑性计算的基本方程

3.5.3材料弹塑性计算的有限元公式

4感应加热的数值模拟及感应器的设计

4.1 ANSYS中电磁——热耦合场的分析方法

4.1.1 ANSYS中耦合场的计算方法及流程

4.1.2 ANSYS中材料非线性问题的计算方法

4.1.3 ANSYS中辐射和对流的计算方法

4.2静止式感应加热的ANSYS模拟及感应器设计

4.2.1电流密度及加热时间对收缩量的影响

4.2.2电流频率及加热时间对收缩量的影响

4.2.3感应器长度对钢板收缩量的影响

4.2.4感应器长度对钢板收缩量的影响

4.2.5感应器距板边的距离对钢板收缩量的影响

4.2.6静止式感应器的设计

4.3移动式感应加热的数值模拟及感应器设计

4.3.1模型建立及网格划分

4.3.2加载及定义边界条件

4.3.3进行瞬态循环增量分析

4.3.4移动式感应加热模拟的结果与分析

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢