对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的模拟方法

摘要

本发明公开了一种对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的模拟方法，该仿真方法将感应线圈的运动代替实际生产中焊管的运动，编写了基于ANSYS APDL语言的宏文件库，包括:a)控制库，用来控制参数库中宏文件的执行顺序；b)参数库，包括线圈在不同位置时的建模参数以及载荷参数；c)环境库，用来建立电磁分析和热分析两个物理环境所需的几何模型、网格划分、载荷施加和求解类型等；d)计算库采用DO循环进行感应加热过程的电磁?热耦合计算，并将求解结果存储到数据库中。与现有仿真技术相比，本发明可对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真，模拟更加贴近现实；仅通过修改参数，可以模拟工厂各种生产工艺；整个仿真过程以ANSYS软件为平台，自动化运行，操作简单，方便工厂技术人员掌握和使用。

说明书

技术领域

本发明属于感应热处理研究领域，涉及一种对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的模拟方法。

背景技术

感应热处理技术是利用感应涡流的热效应，使工件在很短的时间内加热到所需要的温度。由于其具有节能、快速加热及可对工件进行局部淬火等优点，该技术被广泛应用于冶金机械、石油钻机和汽车制造等工业领域。焊接钢管的冶金质量和使用性能取决于管体钢材的冶金质量、制管焊接的工艺技术以及焊缝的热处理三个因素。随着高强度、高韧性焊管的广泛应用，对焊缝的冶金质量要求会更为严格。因此对直缝焊管进行中频热处理的研究是很有意义的。

焊管的使用性能是由管体和焊缝两部分金属的性能综合评定的，任何一方的最弱项都将决定焊管的使用性能。焊管在进行高频焊接时，管坯边缘的温度急剧升高，在焊缝附近区域产生很大的温度梯度。如不进行中频热处理，焊接冷却后加热区会形成硬而脆的粗晶粒组织，同时产生很大的残余应力，使焊缝区的组织性能与管体产生很大的差别，这严重影响了焊管的使用寿命并存在重大的安全隐患。为此，在实际的生产过程中，焊管经过高频焊接后都需要进行中频热处理，以此来消除焊缝区与母材之间的性能差异。

直缝焊管在实际生产中是一个连续的过程，焊管在经过高频焊接后直接进行在线感应热处理，整个生产过程焊管一直沿轴向做匀速运动。对直缝焊管中频热处理工艺进行模拟仿真主要分为两种方法：一种是根据位移(s)＝速度(v)×时间(t)，将求解与位移有关的问题转化为求解在恒定速度下的时间问题；另一种是热源平移法，通过把电磁分析的热源作为载荷进行移动，以此模拟工件和感应器的相对运动。第一种仿真方法对程序的设计和编辑要求较低，目前应用较为广泛。但是整个仿真过程没有感应线圈和焊管之间的相对运动，没有充分考虑焊缝处轴向方向的热传导，因此这种仿真方法存在一定的误差。第二种仿真方法简化了电磁场和温度场的耦合过程，在材料磁导率或电导随温度变化很大的情况下采用此方法时会带来极大误差。

由于焊缝热处理过程是高频焊管生产过程中一个必不可少的工艺，考虑到焊缝的最终质量受诸多工艺参数的影响，因此采用有限元法对在不同工艺参数下进行热处理后的焊缝质量进行预报模拟，以便在生产过程中采取相应的工艺参数保证焊缝质量。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供一种基于ANSYS的对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的模拟方法。本发明是将感应线圈进行步进式移动，线圈在某一位置加热完毕后步进到下一位置。这种仿真方法通过感应线圈和焊管之间的相对运动，实现了动态模拟，更加贴近真实的生产情况，故该方式是今后进行动态仿真的主流。这种仿真方法由于感应线圈的不断移动，因此要多次进行重新建模、网格划分、创建物理环境、求解等。仅依靠人工来实现以上工作内容，费时费力，因此设计一套程序，使计算机自动完成整个仿真过程的计算显得尤为重要。

为了解决上述存在的技术问题，针对将感应线圈进行步进式移动进行感应加热的过程，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的模拟方法，该方法内容包括以下步骤：

步骤1，执行控制库程序，该控制库程序是依据参数库内宏文件的执行顺序进行编写的；

步骤2，执行参数库程序，该参数库程序包括：根据直缝焊管中频感应热处理生产装置确定建模参数；根据感应线圈每次移动距离和所需移动的长度确定感应线圈的移动次数；根据生产中感应线圈的负载，将施加的载荷进行参数化；

步骤3，执行环境库程序，该环境库程序包括：在对应的参数下建立几何模型，划分网格，施加载荷和边界条件，确定求解类型；根据两个感应线圈的负载情况创建不同的电磁分析物理环境，以实现两个感应线圈对焊管同时感应加热的目的；创建热分析物理环境对整个焊管进行瞬态热分析；

步骤4，执行计算库程序，该计算库程序包括：采用DO循环进行感应加热过程的电磁-热耦合计算；将电磁分析和热分析产生的结果数据存储到数据库中；

步骤5，重复步骤1～步骤4，直至感应线圈完成对整个焊管的感应加热，实现对直缝焊管中频热处理过程的动态仿真；每个步骤之间通过使用嵌套宏文件，建立宏文件库之间的联系，达到整个仿真过程自动化运行。

在步骤2中，所述感应线圈的负载是指电流频率和电流密度。

在步骤3中，所述两个感应线圈，是指在焊缝正上方的轴向方向上布置两个感应线圈，来实现对焊缝进行两次中频感应加热以达到热处理温度的目的。

在步骤3中，所述创建不同的电磁物理环境是指采用建立不同电磁物理环境的方法，实现具有不同电流频率的两个线圈同时对直缝焊管进行感应加热。

在步骤4中，所述将电磁分析和热分析产生的结果数据存储到数据库中，是指应用APDL参数化有限元分析技术编写相应的程序，创建用于存放电磁分析和热分析的数据库，实现每次分析完成后将所求结果存放到数据库中。

所述应用APDL参数化有限元分析技术编写相应的程序是指：实现电磁分析和热分析之间的数据传递；编写APDL程序，将电磁分析所产生的焦耳热从数据库中提取出来，作为内热源施加到热分析中；将热分析所产生的温度从数据库中提取出来，作为初始载荷施加到电磁分析中，实现感应加热过程的电磁热耦合计算。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比可以达到这样的有益效果：本发明可对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真，可以模拟工厂各种生产工艺，模拟更加贴近现实；本发明通过修改参数库内的工艺参数，可以针对不同的中频热处理工艺进行动态仿真；通过修改参数内的焊管模型参数，可以对不同规格的焊管进行感应加热过程的动态仿真；采用步进式感应加热的方法实现焊管和感应线圈之间的相对运动，使模拟更加贴近现实；整个仿真过程以ANSYS软件为平台，模拟过程自动化运行，操作简单，方便工厂技术人员掌握和使用。

附图说明

图1为本发明实施过程的程序执行示意图；

图2为本发明的直缝焊管感应加热过程有限元模拟流程图；

图3是根据直缝焊管中频热处理工艺建立的几何模型示意图；

图4是对图3所示几何模型进行网格划分后的有限元模型示意图；

图5为焊管焊缝处网格划分示意图；

图6为本发明的直缝焊管感应加热过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明针对直缝焊管的中频热处理过程进行动态仿真，需要将高频焊接后的温度场做为初始温度场。首先在所建焊缝模型整个轴向长度的节点上施加高频焊接后的温度载荷；然后再采用单元生死技术，逐步激活焊管轴向方向的部分单元参与计算，每次选择激活的单元由在电磁-热耦合过程中感应线圈每次步进的距离决定。采用这种方法可以准确的继承高频焊接后的温度场，以保证模拟结果的准确性。

在保证对模拟目标影响不大的前提下，本发明做如下假设：1)比热容和导热系数均是温度的函数；2)焊管与环境之间的传热以辐射和对流两种方式进行；3)在热分析中假设线圈和空气为温度不变的理想状态。

为更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。现对规格为Φ219×8.94mm、材料为J55的焊管进行电磁感应加热，运用本发明方法实现对中频热处理工艺的仿真模拟。图1所示为本发明实施过程的程序执行示意图。本发明模拟方法的直缝焊管感应加热过程有限元模拟流程图如图2所示；主要包括如下步骤：

1.执行控制库中的程序，指定存放在参数库内的宏文件；

2.执行参数库中的程序，读入感应线圈在特定位置处的模型参数与载荷参数；

3.执行环境库中的程序，该程序包括建立有限元模型，创建电磁分析和热分析物理环境，步骤如下：

3.1利用ANSYS的前处理器创建直缝焊管、感应线圈、硅钢片和空气的三维实体模型，如图3所示是根据直缝焊管中频热处理工艺建立的几何模型示意图；

3.2在该实施例中，网格划分时各实体采用的单元类型与材料属性如表1所示，图4所示是对图3所示几何模型进行网格划分后的有限元模型示意图；中频感应加热焊管时，由于涡流的集肤效应、临近效应和圆环效应，再加上硅钢片的作用，感应线圈激励出来的涡流主要集中在集肤层内，因此在对焊缝区进行网格划分时，越靠近感应线圈，划分越密，以适应涡流和温度在这部分区域的分布规律，如图5所示为焊管焊缝处网格划分示意图；

表1电磁分析与热分析所需的单元类型与材料属性

3.3创建电磁分析物理环境时，需要读入20℃-1400℃温度范围内焊管的相对磁导率、电阻率，感应线圈的相对磁导率以及空气的相对磁导率随温度变化的曲线；对于计算由焊管单元组成铁磁区的涡流，自由度设为AZ和VOLT，对于由线圈、磁棒和空气单元组成非涡流区，自由度设为AZ；指定求解类型为谐响应分析；在模型最外面的空气域边界，设置磁力线平行边界条件，表示磁力线法向分量为零，即AZ＝0；交变电流通过感应线圈内侧时是均匀分布的，因此在感应线圈内侧单元上加载电流密度矢量，并指定谐响应分析中的频率范围。由于两个感应线圈具有不同的电流频率和电流密度，因此需要两个感应线圈分别创建各自的电磁分析物理环境；

3.4创建热分析物理环境时，需要读入20℃-1400℃温度范围内焊管的导热系数、比热容、密度，焊管表面的热辐射系数、波兹曼常数随温度变化的曲线；指定求解方法为瞬态分析；在直缝焊管表面施加对流换热载荷；对求解过程中的载荷步进行设置；

4.执行计算库中的程序，该程序是采用顺序耦合的方法实现电磁-热之间的耦合计算，步骤如下：

4.1从创建好的物理环境中读入1号线圈被激活时电磁分析物理环境，施加温度场作为电磁分析的初始条件，确定材料的物性参数，进行电磁分析，输出在该电磁场下的热生成率；

4.2从创建好的物理环境中读入2号线圈被激活时电磁分析物理环境，施加相同的温度场，确定材料的物性参数，进行电磁分析，输出在该电磁场下的热生成率；

4.3从创建好的物理环境中读入热分析物理环境，将两次电磁分析所产生的热生成率之和作为热场所需的内热源输入，施加与电磁分析相同的温度场，确定材料的物性参数，进行热分析，得到焊管的温度场分布；

4.4采用DO循环实现电磁场和热场的循环计算，直至达到线圈在此位置处设定的加热时间；

4.5将电磁分析和热分析求解结果存储到数据库中，清除ANSYS内的模型，重新读入控制库的程序建立新的几何模型。如此循环下去，直至对整个焊管完成中频感应加热。图6所示为本发明的直缝焊管感应加热过程示意图。