電磁爐加熱水—電磁 熱 結(jié)構(gòu)耦合分析

                                                                                                      

 ANSYS作為一個強大的耦合場分析軟件，其多個場的模擬分析可以很好的結(jié)合，下面以電磁爐加熱一碗水為例，模擬耦合場的經(jīng)典應用.

    注意：模擬中用到的分析數(shù)據(jù)包括電磁線圈頻率、電流、線圈圈數(shù)、導線面積、電流密度、材料參數(shù)和散熱系數(shù)等相關(guān)分析均為假設數(shù)據(jù)，真實數(shù)據(jù)請查閱相關(guān)資料或根據(jù)產(chǎn)品性能添加。

實例介紹：

   電磁爐是應用電磁感應原理對食品進行加熱的。電磁爐的爐面是耐熱陶瓷板，交變電流通過陶瓷板下方的線圈產(chǎn)生磁場，它利用高頻的電流通過環(huán)形線圈，從而產(chǎn)生無數(shù)封閉磁場力，當磁場那磁力線通過導磁（如：鐵質(zhì)鍋）的底部，會產(chǎn)生無數(shù)小渦流（一種交變電流，家用電磁爐使用的是15-30KHZ的高 頻電流），使鍋體本生自行高速發(fā)熱，達到加熱食品的目的。

1.分析模型介紹

    模型建立為一個底部圓環(huán)模擬線圈，其上一個平板模擬陶瓷板，其上鐵碗，碗中半碗水，為了便于網(wǎng)格劃分和后續(xù)的分析，將模型分割為對稱的4個部分如圖3所示.

2.分析過程

     在Workbench中建立耦合場的分析流程，使用Magnetostatic建立磁場分析模塊，使用瞬態(tài)熱分析模塊讀取磁場分析的功耗，查看水升溫的時間，建立結(jié)構(gòu)分析模塊讀取熱分析的溫度分布，來獲取結(jié)構(gòu)相關(guān)的結(jié)果。

2.1電磁場分析

    底板線圈使用電流密度添加電流模擬線圈電流，這樣在線圈上不會產(chǎn)生渦流效應導致的電流分布不均勻現(xiàn)象，其值為 I=單根導線電流*線圈圈數(shù)/線圈截面積，由于線圈為高頻交流電，根據(jù)電磁理論在碗底的鐵質(zhì)體上產(chǎn)生渦流，靠渦流生成的電流來加熱碗底，并可以讀取相應的熱生成功率。

     分析中注意的事項：

1. 加載電流密度的圓環(huán)模型要建立圓心的圓柱坐標系，將其模型坐標系為圓柱坐標系，Y軸為圓環(huán)的圓周方向，模擬電流的流向，如圖5所示。

2. 靜態(tài)磁場分析默認為117單元，是不產(chǎn)生渦流效果的，可以更改模型的單位類型關(guān)鍵字，將碗底的模型單元更改為117,1單元，或者更改為236單元，設置相應的關(guān)鍵字。

    分析中加載電流密度并設置為諧波分析：

bfe,conductor,js,2,current_density ！加載電流密度

/solu

anty,harm

harfr,30000 ！高頻求解

solve

底盤線圈的電流密度結(jié)果如圖6所示，高頻產(chǎn)生的碗底渦流如圖7所示

讀取熱生成率，獲取相應的功率結(jié)果，圖8所示。

/post1

set,1

cmsel,s,steel

powerh

my_powerloss=PAVG

圖5 線圈坐標設置

  圖6 底盤線圈電流密度

  

圖7 碗底渦流密度

圖8 渦流效果熱生成率

2.2 瞬態(tài)熱分析

   加載瞬態(tài)熱分析模塊Transient Thermal，鏈接磁場分析的網(wǎng)格部分，打開瞬態(tài)熱分析模塊，這樣會讀取相應的網(wǎng)格模型和材料設置，需要抑制掉空氣部分。

   在瞬態(tài)熱分析中設置相應的分析時間長度為600s，步數(shù)為600步，設置相應的散熱系數(shù)，如圖9所示，將插入commands命令，讀取磁場生成的熱結(jié)果。

      ldread,hgen ！讀取熱結(jié)果

   加熱碗的最大溫度的溫升曲線如圖10所示，600s時刻的溫度分布結(jié)果如圖11和圖12所示。

  

 圖9 設置散熱系數(shù)

圖10 溫度隨時間變化曲線

、   

 圖11 碗底溫度

 圖12 碗整體溫度 

2.3 結(jié)構(gòu)分析

    加載結(jié)構(gòu)模塊structural，鏈接磁場分析的網(wǎng)格部分，打開后讀取磁場分析相應的網(wǎng)格模型和材料設置，同樣需要抑制掉空氣部分。

    設置好邊界條件之后讀取上一步的熱生成的溫度，根據(jù)相應的材料參數(shù)可以獲取碗的膨脹變形量和應力分布情況，如圖所示

    讀取溫度分布載荷

        ldread,temp

 

圖13 碗應力分布 

圖14 碗變形分布

 圖15 碗變形分布             

     Workbench作為一個分析平臺可以將多個獨立的物理場很好的耦合到一起，很好的解決多電磁場、熱、結(jié)構(gòu)以及流體等物理場的耦合計算。

    多物理場分析能夠更全面的展示一些設備的多個輸入因素導致的相互作用，電磁爐的耦合場分析可以應用于模擬淬火加熱零件、電機受力、雙金屬片彎曲等相關(guān)的電、熱和結(jié)構(gòu)耦合的分析，能夠獲取相關(guān)的溫度、變形、線圈參數(shù)等需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

    另外workbench的多物理場仿真能夠更好的共享模型和模型網(wǎng)格，通過讀取載荷能夠更好的匹配熱、力等載荷數(shù)據(jù)，使計算快速準確，使仿真能夠顯著的減少實驗次數(shù)，提高準確度，并縮短產(chǎn)品開發(fā)時間。