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CAE仿真分析已经成为求解感应加热等复杂场问题的有效工具，利用ANSYS软件有效地进行了钢板电磁场和温度场分析，CAE模拟的结果得到了试验的验证；陈慧琴等用有限元分析方法研究了机车曲轴坯弯曲镦锻前的感应加热过程,得到了坯料内的温度分布以及温度随时间的变化规律，并与现场实测值进行了对比；帅克刚等人在船外板结构的热弯曲成型工艺中建立了感应加热热源有限元模型，分析了高频感应加热温度场变化，并通过实验结果验证了模型的有效性。
基于CAE方法研究多场问题在众多行业中得到应用，但很多的应用中或没有考虑多物理场的耦合关系，或没有考虑材料非线性特征，研究对象相对简单，实际上采用数值仿真的方法可以求解更为复杂的多物理场问题。
本文以内镶金属颗粒的石墨球为研究对象，建立了电磁场与温度场耦合的有限元数学模型，基于多场顺序耦合的方法，利用通用多场分析软件ANSYS对石墨球的感应加热过程进行了CAE仿真，考虑材料非线性特征，得到了石墨球温度随加热时间变化规律，并对不同加热频率和电流密度下石墨球感应加热效果进行了分析，本文全部计算借助上海超算中心“蜂鸟”集群完成，最后还就如何有效利用高性能计算资源解决多场问题进行了探讨。
2 分析流程和并行计算2.1耦合场分析流程感应加热是由工件上的感应电流产生涡损而引发的，工件温度的升高反过来又引起工件材料导电、导磁性能的变化，在ANSYS软件上模拟感应加热的关键是研究多场耦合问题。
多场耦合分析的方法有两种，一种是按顺序进行电磁场与温度场的分析，它通过把电磁场分析的结果作为瞬态热分析的载荷实现多场的数据传递，每一次迭代修改材料的属性重新计算，即顺序耦合法（Sequential Coupling Method）；另一种方法是把电磁场与温度场控制方程耦合到一个方程矩阵中求解，即直接耦合法（Direct Coupling Method），这种方法很难把多场求解技术真正结合到一起。
对于感应加热不存在高度非线性相互作用的情形，采用顺序耦合法更为有效和方便。
基于ANSYS的感应加热数值模拟分析基于ANSYS的感应加热数值模拟分析一、引言感应加热是一种常见的加热方式，利用电磁感应原理将电能转化为热能，广泛应用于金属加热、焊接和熔化等工业领域。
然而，传统试验研究在实践过程中往往需要大量时间和成本，同时无法全面考虑材料性质和结构参数的变化对加热过程的影响。
因此，基于计算机数值模拟方法进行感应加热分析成为一种有效的替代方案。
二、数值模拟方法与ANSYS软件数值模拟方法是基于数学模型和计算机技术，通过离散化处理对实际问题进行数值求解的方法。
在感应加热领域，有限元方法是常用的数值模拟方法之一。
有限元法将复杂的物理问题离散化为一个由节点和单元组成的网格，通过求解节点处的未知量，如温度、电场和磁场等，来求解整个问题。
ANSYS软件是当前广泛应用的有限元分析软件之一，具有强大的建模、网格生成和求解功能。
利用ANSYS软件进行感应加热数值模拟分析，可以较为准确地预测温度场、电场和磁场分布，并分析加热过程中的热传导和热辐射等物理现象。
三、建模与网格生成在进行感应加热数值模拟分析前，首先需要建立待分析的几何模型。
利用ANSYS软件的建模工具，可以灵活地定义模型的形状、尺寸和材料属性等。
在建模过程中，应当充分考虑工件的几何形状和加热目标，并确保模型的几何参数与实际情况一致。
建立几何模型后，需要进行网格生成。
网格的质量和密度对数值模拟的准确性和计算效率起到重要影响。
ANSYS软件提供了多种网格生成方法和优化技术，根据模型的复杂程度和计算要求，选择合适的网格生成方法。
通常，对于快速加热过程，可以采用较为粗糙的网格；而对于热传导过程较为敏感的问题，需要采用更加精细的网格。
四、物理场求解通过ANSYS软件建立几何模型和生成网格后，可以进行物理场求解。
物理场求解是根据材料性质、边界条件和激励方式等，对模型进行求解，并获得预期的温度场、电场和磁场分布等信息。
在感应加热数值模拟中，首先需要定义边界条件和激励方式。
感应加热经验公式感应加热设备常用参数参考与计算感应加热设备常用参数计算:(仅供参考)1.加热炉功率计算P=（C×T×G）÷（0.24×S×η）注释： 1.1 C=材质比热（kcal/kg℃）1.2 G=工件重量（kg）1.3 T=加热温度Heating（℃）1.4 t=时间（S）1.5 η=加热效率（0.6）2.淬火设备功率计算P=（1.5—2.5）×S2.1 S=工件需淬火面积（平方厘米）3.熔炼设备功率计算P=T/23.1 T=电炉容量（T）4.加热设备频率计算δ=4500/d24.1 4500=系数4.2 d=工件半径5.进线整流变压器容量的选择电源功率变压器容量（kW）（kVA）50 100100 160200 250250 315350 400500 630750 100 ……6.设备进线截面的选择电源功率铜芯电缆铝芯电缆（kW）（mm2）（mm2）50 25 35100 50 75200 95 150250 2×70 2×120350 2×95 2×185500 3×95 3×185750 4×95 4×1851000 5×95 5×1857.中频输出电缆截面的选择中频功率电源的输出频率KW kHz0.5 1.0 2.5 4.0 8.0以下电缆截面积单位为：mm250 35 50/90 70 95 120100 50 70 95 2×70 2×95200 95 2×70 2×95 4×70 4×95250 2×70 2×95 3×70 5×90 5×95350 2×95 3×95 4×95 5×100 5×100500 3×95 4×95 5×100 5×150 5×200750 4×95 5×100 5×150 5×200 （5×150）×31000 5×100 5×150 5×200 （5×150）×2 （5×150）×48.冷却水流量的选择8.1 进水压力：0.15—0.3Mpa8.2 冷却水温度在5—30°范围内，水质硬度不超过8度，浑浊度不大于5，PH值在6.5—8的范围内。
感应加热设备的温度场仿真分析与优化在越来越多的工业制造、材料处理等领域中，感应加热技术已经取代了传统的加热方式，成为了主要的选择。
感应加热用电磁感应原理使工作物料在感应线圈中感应电流，来进行加热。
而随着科技的快速发展，感应加热设备也不断地更新换代，更加智能化、高效化。
然而，感应加热设备的温度场分析，其优化和精确度仍是生产活动中不可忽略的重要环节。
本文旨在分析感应加热设备的温度场，并阐述如何通过仿真分析和优化来提高其性能。
一、感应加热设备的基本原理1、感应加热的基本原理感应加热实质上是利用感应线圈中的交变磁场感应导电环境中的涡电流，使其产生电阻加热。
感应加热设备通过感应线圈产生电磁场, 通过这个电磁场使工作物料中出现涡流，产生热量，对于导电的材料，可以快速加热，用他来替代传统的火焰加热、电炉加热、热处理炉等方式，可以大大降低能耗，减少了污染，同时大大提高了工作效率。
2、感应加热设备的基本组成感应加热设备通常由发生器、感应线圈、冷却器、电源和控制系统等几个组成部分构成，发生器是产生交流电磁场的主机，发生器所产生的交变电流经感应线圈后产生强烈的交变磁场，从而让工作物料在其中感应产生涡流，以此实现加热。
3、感应加热设备的特点感应加热设备具有高速、高效、节能、环保和安全等特点，它的加热速度非常迅速, 能够迅速使加热对象的表面达到所需温度，使其在微波效应下快速加热，热量大部分集中在物料表面，且无明火、无烟雾、无排放，环保性高。
二、感应加热设备温度场仿真分析1、感应加热设备的温度场相关学者指出，在传统的物理模型中，把对象表面的温度定义为加热过程中的主要参数，可以反映出物温度的变化情况。
通过简记组分、可单一物理状态、热流方程、热平衡方程，完成热迁移和热积分计算得到物体表面温度分布。
2、感应加热设备的仿真分析FEA（有限元分析方法）的作用是计算研究感应加热设备在热场中的加热复杂过程，它可以通过分析物体中各个位置点的温度，“描绘”出其物体表面温度和热传导的分布情况，同时，还可以用这些信息为感应加热过程中的预测和控制分析作为依据。
感应加热设备中高温区域温度分布的模拟感应加热设备中高温区域的温度分布是研究该设备性能的一个重要方面。
通过数值模拟方法，可以对高温区域所受的加热过程进行分析，提升其加热效率，降低其能耗和故障率。
一、感应加热设备的原理感应加热是一种通过感应电流对导体材料进行加热的过程。
当通以高频电源的交流电时，产生的高频电磁场穿过导体材料，导体材料内产生旋转电流，这种电流又称涡流。
根据焦耳定律，涡流将会使导体发生加热。
感应加热设备根据这个原理进行加热。
二、高温区域的特点高温区域在感应加热设备中非常关键，它可以使物料进行较快有效的加热，同时也是导致设备故障的高风险区域。
由于加热过程会使物料的内部温度逐步上升，如果高温区域未能得到有效的控制和管理，容易使温度失控、超标和产生异常，严重时可以造成设备的故障。
三、高温区域温度分布的模拟在感应加热设备中，高温区域的温度分布是非常复杂的。
为了更好地分析和控制高温区域的温度分布，可以使用数值模拟方法对其加热过程进行研究和分析。
常见的数值模拟方法有有限差分法和有限元法等。
有限差分法是一种基于差商的数值方法。
它的基本思想是把一个连续函数用差分代替，从而把微分转变为差分形式，以达到数值解的目的。
在高温区域的温度分布模拟中，通常采用梯度法。
在三维空间中，梯度法可以通过计算一个标量或向量函数在该点处的偏导数来得到该点处的梯度向量。
有限元法是一种数值解微分方程的方法，它将求解区域分成无数个小单元进行处理，将一个连续函数的求解问题转化为一个离散化的求解问题。
在高温区域的温度分布模拟中，通常采用热传导方程进行求解。
热传导方程可以将一个物体内部温度随时间的变化和空间位置所满足的关系描述为一个偏微分方程，通过有限元法求解，可以得出不同时间和空间位置下的温度分布情况。
四、模拟结果的应用通过对高温区域的温度分布进行数值模拟分析，可以得到该区域内不同位置的温度分布情况，进而判断加热效果是否符合要求。
如果发现高温区域的温度分布出现异常，需要及时采取措施进行调整。
16软件开发与应用Software Development And Application电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering国内外孔轴配合件的拆卸方法中，采用温差法的工艺主要有火焰加热法、油浴加热法、物理制冷法、感应加热法等。
感应加热方法因其速度快、功率消耗小、温度易于控制，可以实现孔轴类零件节能、安全、无损、高效的原则，但感应加热中包括对温度的控制、频率的调节等对电磁场参数的设计具有一定的影响，其模型的搭建有利于感应加热实验的进行[1]。
1 感应加热原理感应加热的工作原理：向多匝线圈通入交变电流，此时线圈中就会产生交变磁通，在磁场的作用下，使得感应圈中的金属材料产生涡流[2]，从而工件内部产生热量，以此来实现实验的目的。
2 电磁场计算模型2.1 电磁场基本定律电磁感应加热的整个过程通过以下几个基本定律来加以叙述，其中包括安培环路电律、法拉第电磁感应电律、高斯电通定律、高斯磁通定律。
安培环路定律：磁场强度通过闭合路径的积分，等于穿过此闭合路径形成曲面的电流的代数和。
积分形式（1）式中：-磁场强度矢量（A/m ）-电流密度矢量（A/m 2）-电通密度（电位移）矢量（C/m 2）-闭合路径矢量S-闭合曲面的界限。
法拉第电磁感应定律：导体回路中的感应电动势与穿过此路径的磁通量随时间的变化率成正比。
积分形式（2）式中：-电场强度矢量（V/m ）-磁感应强度矢量（Wb/m 2）。
高斯电通定律：介质中穿过任一闭合曲面的电位移矢量D 的通基于MATLAB 的感应加热模型的仿真与研究李城磊 张瑞平（山西大同大学机电工程学院 山西省大同市 037003）量等于该闭合面包围的电荷量。
积分形式（3）式中：ρ-电荷体密度（C/m 3）V-闭合曲面S 围成的体积区域。
高斯磁通定律：传出一个闭合路径的磁通量恒等于0，这里的磁通量指的是磁感应强度矢量对闭合路径的有向积分。
