感应加热磁-热-固耦合数值模拟研究及应用
发布时间：2023-04-27 22:32
感应加热是工程中常见的工艺方法,其典型的应用场景有焊接、热处理、弯板成形和矫形等。但感应加热工艺是一种涉及磁场、温度场、变形场的复杂过程,需要采用多物理场耦合数值模拟技术来辅助这一过程。目前常见的磁-热-固耦合不考虑变形场对后续电磁场的影响,不能满足感应加热应用场合的要求;另外,磁-热-固耦合对网格要求苛刻,难于满足生产现场分析计算,需要简化磁-热-固耦合分析模型。据此本文开发了一种针对感应加热的磁-热-固全耦合数值模拟方法,并提出一种基于磁-热-固耦合数值模拟构建等效热源以简化耦合分析的方法。为此进行了以下工作:(1)磁-热-固全耦合数值模拟方法的开发针对感应加热工艺,在磁-热双向耦合的基础上,通过网格随移的方法,将变形场产生的节点位移保留在耦合分析的通用数据库中,从而将变形传递到磁分析,建立起磁-热-固全耦合模型,用于研究感应加热变形对后续成形的影响。通过全耦合模型与非全耦合模型计算结果对比,验证了开发的感应加热磁-热-固全耦合数值模拟方法的有效性,为工程中感应加热过程的数值计算提供了一个新的工具。(2)基于磁-热-固耦合的感应加热等效热源构建方法研究由于磁分析、双向耦合和部件相对...
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 感应加热及数值模拟的国内外研究进展
1.2.1 感应加热设备
1.2.2 感应加热数值模拟的国内外研究进展
1.3 现有研究不足
1.4 本文的研究内容和创新点
1.4.1 研究内容
1.4.2 主要创新点
第二章 磁-热-固全耦合数值模拟方法的开发及验证
2.1 引言
2.2 磁-热-固全耦合模型的开发
2.2.1 耦合的基本概念
2.2.2 物理环境法
2.2.3 网格随移
2.2.4 磁-热-固全耦合模型
2.3 三维磁-热-固耦合数值模拟的主要影响因素
2.3.1 磁分析方法
2.3.2 移动方法
2.3.3 感应器的网格划分
2.3.4 空气域的建立与网格划分
2.3.5 试验验证提出的优化空气域模型
2.4 基于优化空气域方案的耦合数值模拟的优化探讨
2.4.1 涡流集肤层网格密度
2.4.2 感应器移动的两种方法
2.4.3 工件面内网格密度
2.4.4 时间子步
2.5 磁-热-固全耦合模型的应用与验证
2.5.1 加热参数
2.5.2 建模分析方案
2.5.3 材料物理性能参数
2.5.4 有限元模型及边界条件
2.5.5 计算结果
2.5.6 验证
2.6 本章小结
第三章 基于磁-热-固耦合的感应加热等效热源构建方法研究
3.1 引言
3.2 现有等效热源的研究方法
3.2.1 焊接变形计算等效热源的研究
3.2.2 火焰水火弯板成形计算等效热源的研究
3.2.3 感应加热等效热源的研究
3.3 等效热源替代耦合分析的研究
3.3.1 局部精细耦合模型的建立
3.3.2 材料性能参数所导致不断变化的热源分布
3.3.3 移动感应加热的准稳态
3.3.4 等效热源替代耦合分析热源的合理性
3.4 等效热源的构建方法
3.4.1 叠加功率的数值实现
3.4.2 等效热源数学模型的建立
3.4.3 施加等效热源的数值实现
3.5 本章小结
第四章 感应加热弯板成形数值模拟研究
4.1 引言
4.2 有效功率和半径
4.2.1 弯板成形等效热源的数学模型
4.2.2 有效功率和半径的确定方法
4.3 基于等效热源构建方法的热源与加热参数关系数学模型的研究
4.3.1 热源影响参数
4.3.2 量纲分析原理和方法
4.3.3 基于量纲分析的热源与加热参数关系的简化
4.3.4 等效热源与加热参数关系的数学模型
4.4 关系数学模型的验证
4.4.1 Inductor-A弯板成形验证
4.4.2 Inductor-B弯板成形验证
4.5 本章小结
第五章 感应加热活塞热疲劳试验数值模拟研究
5.1 引言
5.2 活塞的热疲劳分析
5.2.1 活塞的失效
5.2.2 热疲劳产生的条件
5.2.3 考虑应力集中的局部应力-应变法
5.2.4 活塞热疲劳损伤的试验研究方法
5.2.5 热疲劳寿命预测模型
5.2.6 拘束率-疲劳寿命预测模型
5.3 热疲劳模拟试验
5.3.1 热疲劳试验平台
5.3.2 温度测量点
5.3.3 加热-冷却循环方案
5.4 基于等效热源构建方法的拘束率数值计算
5.4.1 几何模型及网格划分
5.4.2 材料物理性能参数及加热参数
5.4.3 等效热源的构建
5.4.4 热-固耦合分析
5.4.5 拘束率的计算
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 本文总结
6.2 本文展望
参考文献
致谢
攻读博士期间已发表或录用的论文
攻读博士期间参与的科研项目
本文编号：3803195
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 感应加热及数值模拟的国内外研究进展
1.2.1 感应加热设备
1.2.2 感应加热数值模拟的国内外研究进展
1.3 现有研究不足
1.4 本文的研究内容和创新点
1.4.1 研究内容
1.4.2 主要创新点
第二章 磁-热-固全耦合数值模拟方法的开发及验证
2.1 引言
2.2 磁-热-固全耦合模型的开发
2.2.1 耦合的基本概念
2.2.2 物理环境法
2.2.3 网格随移
2.2.4 磁-热-固全耦合模型
2.3 三维磁-热-固耦合数值模拟的主要影响因素
2.3.1 磁分析方法
2.3.2 移动方法
2.3.3 感应器的网格划分
2.3.4 空气域的建立与网格划分
2.3.5 试验验证提出的优化空气域模型
2.4 基于优化空气域方案的耦合数值模拟的优化探讨
2.4.1 涡流集肤层网格密度
2.4.2 感应器移动的两种方法
2.4.3 工件面内网格密度
2.4.4 时间子步
2.5 磁-热-固全耦合模型的应用与验证
2.5.1 加热参数
2.5.2 建模分析方案
2.5.3 材料物理性能参数
2.5.4 有限元模型及边界条件
2.5.5 计算结果
2.5.6 验证
2.6 本章小结
第三章 基于磁-热-固耦合的感应加热等效热源构建方法研究
3.1 引言
3.2 现有等效热源的研究方法
3.2.1 焊接变形计算等效热源的研究
3.2.2 火焰水火弯板成形计算等效热源的研究
3.2.3 感应加热等效热源的研究
3.3 等效热源替代耦合分析的研究
3.3.1 局部精细耦合模型的建立
3.3.2 材料性能参数所导致不断变化的热源分布
3.3.3 移动感应加热的准稳态
3.3.4 等效热源替代耦合分析热源的合理性
3.4 等效热源的构建方法
3.4.1 叠加功率的数值实现
3.4.2 等效热源数学模型的建立
3.4.3 施加等效热源的数值实现
3.5 本章小结
第四章 感应加热弯板成形数值模拟研究
4.1 引言
4.2 有效功率和半径
4.2.1 弯板成形等效热源的数学模型
4.2.2 有效功率和半径的确定方法
4.3 基于等效热源构建方法的热源与加热参数关系数学模型的研究
4.3.1 热源影响参数
4.3.2 量纲分析原理和方法
4.3.3 基于量纲分析的热源与加热参数关系的简化
4.3.4 等效热源与加热参数关系的数学模型
4.4 关系数学模型的验证
4.4.1 Inductor-A弯板成形验证
4.4.2 Inductor-B弯板成形验证
4.5 本章小结
第五章 感应加热活塞热疲劳试验数值模拟研究
5.1 引言
5.2 活塞的热疲劳分析
5.2.1 活塞的失效
5.2.2 热疲劳产生的条件
5.2.3 考虑应力集中的局部应力-应变法
5.2.4 活塞热疲劳损伤的试验研究方法
5.2.5 热疲劳寿命预测模型
5.2.6 拘束率-疲劳寿命预测模型
5.3 热疲劳模拟试验
5.3.1 热疲劳试验平台
5.3.2 温度测量点
5.3.3 加热-冷却循环方案
5.4 基于等效热源构建方法的拘束率数值计算
5.4.1 几何模型及网格划分
5.4.2 材料物理性能参数及加热参数
5.4.3 等效热源的构建
5.4.4 热-固耦合分析
5.4.5 拘束率的计算
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 本文总结
6.2 本文展望
参考文献
致谢
攻读博士期间已发表或录用的论文
攻读博士期间参与的科研项目
本文编号：3803195
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