基于ANSYS的曲轴红套感应加热数值模拟
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第 2 卷第 3 期 2009 年 9 月
上海电气 技 术 JOUR NAL OF SH ANGH A I ELECT RIC T ECH N OLOGY
文章编号: 1674 540X( 2009) 03 036 04
Vol . 2 No. 3 Sep. 2009
基 于 ANSYS 的 曲 轴 红 套 感 应 加 热 数 值 模 拟
2009 年第 3 期
张青雷, 等: 基于 ANSYS 的曲轴红套感应加热数值模拟
37
的涡流发热来达到加热工件的目的, 主要用于金属 材料的熔炼铸造、透热锻造、热处理、焊接、烧结 等 方面[ 1] 。它涉及电、磁、热、相变、力学方面的综合知 识, 计算机技术的快速发展使得通过计算机数值模 拟来描述感应加热过程成为可能, 20 世纪 70 年代 末, 二维电磁场的数值 计算方法已日 趋成熟, 国 外 学者就开始致力于三维电磁场、涡流场的数值计算 方法的研究, 到 20 世纪 80 年代末, 国外已出现可以 计算三维电磁场、涡流场的商业软件, 例如 AN SYS 软件, 它不但可以进行结构、热、电磁场等单个场问 题的分析求解, 而且还可以进行 2 个场之间的耦合 计算, 如热 ) 结 构、电 磁 ) 热等耦 合。直 接利用 这 些功能强大的商业软件对制造业 中的感应加热 问 题进行模拟计算是一种十分方便、高效的方法[ 2] 。
Key words: shrink; inducing heat ing; simul at ion
随着现代科学技术的发展, 感应加热技术得到 广泛的重视和应用, 上海船用曲轴有限公司通过自 主研发, 设计了曲轴 红套中频电磁 感应加热装置, 取代了原有的燃气加热方式, 实现了半组合式曲轴 红套加热过程的可控制、操作简便、清洁无污染 和 无安全隐患, 各项性 能指标都达到 了专业的要求, 设备应用后取得了 显著的成效。本文在分析感 应
#1 B A = A0
( 1)
#2
Bn
@
1 L
$
@A =
H0
式中, H 为磁场强度矢量, A/ m; J 为传导电流矢量, A/ m2 ; L 为磁导率, H / m; R为电导率, 1/ 8 m; X为角 频率, rad/ s; j 为虚单位。
ANSYS 软件在谐波( 交变) 磁场分析时采用复
矢量磁势法, 先求解出每个节点上的复矢量磁势A, 再求解出其他值, ANSYS 的后 处理功能可以用 于 计算源阻抗、涡流、焦耳热、储存电磁能和磁力等[ 4] 。 2. 2 温度场有限元数学模型
ZH AN G Qinglei , GUO J ingkuan
( Shanghai Elect ric Group Co. , Lt d. , Cent ral A cademe, Shanghai 200070, China)
Abstra ct: Based on t he induct ion heat ing theory, a finite element model for electromagnetic t emperat ure field has been developed. The simulat ion of induct ion hardening process in Large Size Crankshaft shrink fitt ing is carried out by using FEA soft ware ANSYS with t emperat ure and deformation distribution calculat ed, t he characteristics and effect factors in the induct ion heating process also are analyzed. In conclusion, the opt imized crankshaft heat ing t echonology could be estabished by adjust ing t echnological parameters of the ห้องสมุดไป่ตู้eat ing device. Specifically, frequency, current, heat ing position and so on.
加热装置特点和曲轴红套工艺要求的基础上, 建立 有限元模型和边界条件, 对 6S60MC C 型号曲轴 的感应加热过程进行模拟, 获得过盈量和温度等关 键工艺参数, 为红套装配提供指导。
1 感应加热模拟
感应加热实质是利用 电磁感应在导 体内产生
收稿日期: 2 009 0 8 11 基金项目: 国家科技支撑计划项目( 20 07 BA F0 2B05) 作者简介: 张青雷( 19 73 ) , 男, 博士后, 主要从事数字化设计与制造方面的研究, E- mail: qing leizh ang @ sin a. com
率、电流强度、加热位置等工艺参数, 可以建立优化的曲轴红套加热工艺。
关键词: 红套; 感应加热; 模拟
中图分类号: T K 413. 31
文献标识码: A
Numerical Simulation of Induction Heating Process for Shrink Fitting Based on ANSYS Software
张青雷, 郭井宽
( 上海电气集团股份有限公司 中央研究院, 上海 200070)
摘 要: 应用感应加热理论, 建立了电磁场与温度场耦合的有限元数学模型, 利用通用有限元软件
ANSYS 对大型半组合式船用曲轴曲拐感应加热过程进行了模拟分析, 得到了随时间变化的工件温度
与变形分布图, 并分析了感应加热整个温升过程的特点与影响因素, 结果表明, 通过调整加热装置的频
2 数学模型的建立
2. 1 电磁场有限元数学模型[ 3] 求解电磁场的方程组是偏微分方程, 通过方程
联立直接求解比较困难。为此, 引入复矢量磁位 A, 通过简化方程、规范 变换和矢量场 的惟一性定理, 结合具体问题的对称性, 得如下涡流场复矢量边值 问题微分方程:
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@
1 L
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-
j XRA + J s
上海电气 技 术 JOUR NAL OF SH ANGH A I ELECT RIC T ECH N OLOGY
文章编号: 1674 540X( 2009) 03 036 04
Vol . 2 No. 3 Sep. 2009
基 于 ANSYS 的 曲 轴 红 套 感 应 加 热 数 值 模 拟
2009 年第 3 期
张青雷, 等: 基于 ANSYS 的曲轴红套感应加热数值模拟
37
的涡流发热来达到加热工件的目的, 主要用于金属 材料的熔炼铸造、透热锻造、热处理、焊接、烧结 等 方面[ 1] 。它涉及电、磁、热、相变、力学方面的综合知 识, 计算机技术的快速发展使得通过计算机数值模 拟来描述感应加热过程成为可能, 20 世纪 70 年代 末, 二维电磁场的数值 计算方法已日 趋成熟, 国 外 学者就开始致力于三维电磁场、涡流场的数值计算 方法的研究, 到 20 世纪 80 年代末, 国外已出现可以 计算三维电磁场、涡流场的商业软件, 例如 AN SYS 软件, 它不但可以进行结构、热、电磁场等单个场问 题的分析求解, 而且还可以进行 2 个场之间的耦合 计算, 如热 ) 结 构、电 磁 ) 热等耦 合。直 接利用 这 些功能强大的商业软件对制造业 中的感应加热 问 题进行模拟计算是一种十分方便、高效的方法[ 2] 。
Key words: shrink; inducing heat ing; simul at ion
随着现代科学技术的发展, 感应加热技术得到 广泛的重视和应用, 上海船用曲轴有限公司通过自 主研发, 设计了曲轴 红套中频电磁 感应加热装置, 取代了原有的燃气加热方式, 实现了半组合式曲轴 红套加热过程的可控制、操作简便、清洁无污染 和 无安全隐患, 各项性 能指标都达到 了专业的要求, 设备应用后取得了 显著的成效。本文在分析感 应
#1 B A = A0
( 1)
#2
Bn
@
1 L
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H0
式中, H 为磁场强度矢量, A/ m; J 为传导电流矢量, A/ m2 ; L 为磁导率, H / m; R为电导率, 1/ 8 m; X为角 频率, rad/ s; j 为虚单位。
ANSYS 软件在谐波( 交变) 磁场分析时采用复
矢量磁势法, 先求解出每个节点上的复矢量磁势A, 再求解出其他值, ANSYS 的后 处理功能可以用 于 计算源阻抗、涡流、焦耳热、储存电磁能和磁力等[ 4] 。 2. 2 温度场有限元数学模型
ZH AN G Qinglei , GUO J ingkuan
( Shanghai Elect ric Group Co. , Lt d. , Cent ral A cademe, Shanghai 200070, China)
Abstra ct: Based on t he induct ion heat ing theory, a finite element model for electromagnetic t emperat ure field has been developed. The simulat ion of induct ion hardening process in Large Size Crankshaft shrink fitt ing is carried out by using FEA soft ware ANSYS with t emperat ure and deformation distribution calculat ed, t he characteristics and effect factors in the induct ion heating process also are analyzed. In conclusion, the opt imized crankshaft heat ing t echonology could be estabished by adjust ing t echnological parameters of the ห้องสมุดไป่ตู้eat ing device. Specifically, frequency, current, heat ing position and so on.
加热装置特点和曲轴红套工艺要求的基础上, 建立 有限元模型和边界条件, 对 6S60MC C 型号曲轴 的感应加热过程进行模拟, 获得过盈量和温度等关 键工艺参数, 为红套装配提供指导。
1 感应加热模拟
感应加热实质是利用 电磁感应在导 体内产生
收稿日期: 2 009 0 8 11 基金项目: 国家科技支撑计划项目( 20 07 BA F0 2B05) 作者简介: 张青雷( 19 73 ) , 男, 博士后, 主要从事数字化设计与制造方面的研究, E- mail: qing leizh ang @ sin a. com
率、电流强度、加热位置等工艺参数, 可以建立优化的曲轴红套加热工艺。
关键词: 红套; 感应加热; 模拟
中图分类号: T K 413. 31
文献标识码: A
Numerical Simulation of Induction Heating Process for Shrink Fitting Based on ANSYS Software
张青雷, 郭井宽
( 上海电气集团股份有限公司 中央研究院, 上海 200070)
摘 要: 应用感应加热理论, 建立了电磁场与温度场耦合的有限元数学模型, 利用通用有限元软件
ANSYS 对大型半组合式船用曲轴曲拐感应加热过程进行了模拟分析, 得到了随时间变化的工件温度
与变形分布图, 并分析了感应加热整个温升过程的特点与影响因素, 结果表明, 通过调整加热装置的频
2 数学模型的建立
2. 1 电磁场有限元数学模型[ 3] 求解电磁场的方程组是偏微分方程, 通过方程
联立直接求解比较困难。为此, 引入复矢量磁位 A, 通过简化方程、规范 变换和矢量场 的惟一性定理, 结合具体问题的对称性, 得如下涡流场复矢量边值 问题微分方程:
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