abaqus加熱仿真的案例
仿真APP在微波加熱仿真分析中的應用
一、背景介紹
微波爐是一種常用的食物加熱工具，主要是由腔室、磁控管、波導管三個部分組成。在工作過程中，磁控管產生波長約為12.2cm的微波（對應頻率2.45GHz），通過波導管注入腔室內，在腔室內產生振蕩的磁場和電場，引起食物內水分子等極性分子的快速運動，從而產生熱量，加熱食物。
圖1 微波爐示意圖
但在日常生活使用中，我們經常會碰到這樣的問題：為什么加熱后的食物第一口燙嘴，但是第二口下去卻又冷冰冰的？到底要加熱多長時間才合適？食物在微波爐內到底是從內向外加熱還是從外向內加熱？
為了解開這些疑惑，我們通過仿真分析，可以計算出食物在加熱過程中，腔室內電磁場分布情況、食物功率損耗密度分布和食物傳熱分布。基于Simdroid多物理場仿真Paas平臺開發的微波爐多物理場分析APP，可以對微波爐工作過程中食物加熱機理進行快速分析并對加熱過程進行直觀展示。
二、仿真APP解決方案
通過采用多物理場仿真平臺Simdroid提供的電磁－熱耦合分析功能，可以對微波加熱食物過程中電磁場分布以及食物加熱溫升過程進行同步分析計算。基于其內置的APP開發器，以無代碼化的方式便捷封裝全參數化仿真模型及仿真流程，將仿真知識、專家經驗等固化為微波爐多物理場仿真APP，可供沒有仿真經驗的使用者快速上手使用。
本文以一個功率為1kW的典型微波爐為例，介紹微波爐多物理場仿真APP的制作方法，并基于仿真APP對不同食物材料參數、不同食物大小、不同加熱時長結果進行對比和評估，揭示微波爐加熱過程中的多物理場耦合過程。
1、仿真流程搭建
1）新建高頻電磁－熱耦合多場仿真工程。
圖2 新建多物理場工程界面
2）參數化建模。建立微波爐和食物模型，將其關鍵設計尺寸參數化。
展開 移動的激光熱源加熱及熱形變仿真（COMSOL) ￥25
<p><strong> 激光加熱及激光焊接非常常見，，如何仿真激光焊接過程的熔深及路徑上的熱應變呢？本貼以激光加熱為例，模擬高斯分布熱源勻速經過兩塊金屬體接縫處的場景。本例還適用于激光加熱，粒子轟擊加熱等以移動的高斯熱源加熱的場景。</strong></p><p> 本例使用激光功率500W，熱源移動速度10mm/s，焊接使用兩塊不銹鋼板。</p><p> 仿真主要流程就是：</p><p>1：定義激光熱源；</p><p>2：定義激光熱源行走路徑；</p><p>3：導入幾何</p><p>4：添加材料；</p><p>5：物理場設置，包含固體傳熱和固體力學；</p><p>6：網格劃分；</p><p>7：研究設置</p><p>8：后處理。結果可看熔深大小，焊接熱變形，激光行走過程等溫面分布等。
展開 電磁爐加熱過程電磁-熱耦合仿真
電磁爐加熱過程電磁-熱耦合仿真
01
案例背景
電磁爐是日常生活中常見的家用電器，它是利用電磁感應原理對食物進行加熱，電磁爐的托盤是陶瓷材料，交變電流在線圈中的產生磁場，電磁爐鍋底放到托盤上，鍋體底部切割磁力線產生渦流，從而使鍋體本身發熱，用來加熱食物。
本案例采用INTESIM-Multiphysics分析軟件，對電磁爐物體加熱模型進行電磁-熱耦合分析，首先建立渦流場分析，利用軟件的耦合模塊，模擬電磁生熱到熱場的物理量傳遞過程，查看整體的溫度分布，最終得到電磁爐渦流場生熱過程的溫度分布，及被加熱物體的溫升。
02
案例功能特點
案例所屬物理場：多物理場INTESIM-Multiphysics
案例功能：渦流分析、電磁-熱耦合、非匹配網格映射插值
分析類型：諧態分析、穩態分析
03
案例分析
網格模型
電磁爐有限元模型如圖1所示，電磁場網格與溫度場網格是兩套不同的網格，電磁場網格采用高階四面體單元，溫度場網格采用低階四面體單元，有限元模型如圖2所示。
展開 模具蒸汽加熱過程仿真計算
問題描述
1、水蒸汽180℃，用20s將模具由40℃加熱至140℃；
2、工作過程：
蒸汽以0.9MPa壓力從紅色端入進模具，此時藍色端開啟，蒸汽通過模體后從藍色端流出，此過程持續6s；
6s后關閉藍色端閥門，此時蒸汽繼續以0.9MPa壓力往模具里面泵，直至模體內部達到壓力平衡。此時模具繼續被加熱，直至表面某處溫度達到140 ℃，這一過程持續約14s。然后打開藍色端閥門放空蒸汽。
3、計算這一過程共需消耗多少蒸汽。
仿真思路
1、在藍色端閥門打開的第一階段，采用既有進口又有出口的計算模型，采用瞬態的計算方式，計算在6秒內通過出口流出的蒸汽量Q1，同時計算模具被加熱后的溫度。
2、在藍色端閥門關閉的第二階段，在計算模型中關閉出口邊界，同時改用可壓縮模型的計算模型，持續計算14s，至模具表面溫度達到140 ℃。此過程的蒸汽量，可簡單計算得出：計算模具空腔的內部體積，再根據蒸汽的狀態求出其密度，進而可以求出蒸汽量Q2。
3、總蒸汽量 Q = Q1 + Q2。
模型簡化
網格劃分
大約1150萬網格數量
仿真設置
仿真結果
出口速度
模具內管蒸汽流動過程
展開 
設計仿真 | 齒輪感應加熱熱處理綜述
01
概述
OVERVIEW
對于齒輪的感應加熱熱處理過程，本文通過循環對稱齒輪模型的感應加熱案例簡單介紹Marc的相變熱處理仿真方法和流程。
循環對稱模型仿真須滿足模型結構和邊界條件都遵循循環對稱條件，從而在很大程度縮減模型規模、簡化模型，減少求解時間和內存需求，實現更精細的網格，更詳細地研究模型。
在整體齒輪簡化為循環對稱的模型后，進行感應加熱，淬火連續工藝過程仿真，發現齒輪淬火導致奧氏體向馬氏體的轉換，從而在相變區域獲得更好的材料性能；但也會在齒輪內部引入各種殘余應力，從而改變其機械性能。
02
模型建模細節
Model modeling details
齒輪有18個齒，采用循環對稱只建立一個齒牙，再進行厚度方向對稱定義，然后進行有限元網格劃分。感應加熱階段，電磁線圈內定義150kHz頻率的1200A感應電流進行齒輪加熱，加熱時間2s，然后關閉感應線圈，進行淬火冷卻，冷卻時間7s內。
展開 玩具熊制作過程中的電磁感應加熱仿真 ￥500
<p>本案例建立了一電磁感應加熱裝置，基于COMSOL軟件模擬了玩具熊制作過程中的電磁感應加熱過程，幾何模型如圖1所示。仿真結果如圖2所示。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/c56395adfdc648d499ba30783ae4df9c.png" alt="Untitled31.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖1 幾何模型</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/15e33f57252c4a27bde1c88a8cea9746.png" alt="Untitled32.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>電磁場分布</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/d67d0fbcaa8f41998b375f893ed5367a.png" alt="Untitled33.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>玩具熊的電磁感應加熱制作過程</strong></p><p>感興趣的朋友可以下載模型，歡迎交流合作</p>
展開 石蠟加熱熔化的多物理場耦合仿真 ￥800
<p>基于<a href="https://www.yqgqt.org.cn/major/comsol" rel="noopener noreferrer" target="_blank">COMSOL仿真</a>平臺，模擬了石蠟受熱熔化后的溫度場和流場的變化過程，本例設計了石蠟和金屬導熱結構，通過對金屬的加熱和導熱，使得石蠟產生相變，發生熔化，且內部流場發生變化。具體模擬結果如下：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202109/9d2a6ae4eea84a73b3e2db3b2ed96057.jpg" alt="m1.jpg"></p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202109/3c3b2742e5124bc480e71f330019b2b0.gif" alt="Untitled1.gif"></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件進行查看。</p><p><br></p>
展開 電加熱冰融化過程仿真 ￥1000
本案例建立了一內部帶有冰的結構，并設計了電加熱裝置，模型如圖所示。基于COMSOL軟件的電-熱耦合模塊，模擬了結構在電流作用下的冰融化的過程，模擬結果如圖所示：
微波爐內物體旋轉加熱仿真 ￥800
<p>本案例基于COMSOL軟件模擬了微波爐內物體在旋轉盤上邊旋轉邊加熱的過程，模擬結果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202203/imgs/f758a3e020c4430bb20dcf0c1f295ca1.gif" alt="Untitled.gif"></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎交流合作！</p><p><br></p><p><br></p>
展開 紅外加熱爐冷卻通道設計及熱-流耦合仿真 ￥1000
紅外加熱爐是一種利用紅外輻射技術進行加熱的熱處理設備。它通過將電能轉化為紅外輻射能量，直接將熱能傳遞給物體，達到加熱的目的。紅外加熱爐的工作原理是基于物體對紅外輻射的吸收。紅外輻射能量可以被各種物體直接吸收并轉化為熱能，而無需通過傳導或對流來傳遞熱量。當物體暴露在紅外輻射源附近時，紅外輻射能量被物體吸收，使物體內部溫度升高。
本案例設計建立了一紅外加熱爐，并對模型進行了一定的簡化處理，基于COMSOL軟件的多物理場耦合相關模塊，仿真了爐內物體的加熱和冷卻過程。模型圖和仿真結果如下所示：
感興趣的朋友，歡迎交流合作！
展開 Workbench案例2-一塊餅干的加熱仿真
簡介
傳統烤箱主要通過來自加熱裝置的輻射來加熱食物元素。對流烤箱除了輻射外還使用強制對流，以加熱食物。在這個案例中，我們不對輻射進行建模，而是關注關于比較由于自然對流而發生的熱傳遞（在傳統烤箱）和強制對流（在對流烤箱中）。
目標
比較兩個烤箱將餅干加熱到溫度200℃時所需要的時間；
比較餅干在兩種設置的烤箱中，餅干中的溫度分布的均勻性。
烤箱加熱流場仿真分析APP
<p>烤箱加熱流場仿真分析APP封裝了隔板間距尺寸參數、材料物性參數以及加熱管熱功率等參數，可快速計算結構局部尺寸、材料特性及熱損耗分布等改變的情況下對烤箱內部各部件換熱溫度及內部自然對流流場的影響。烤箱加熱流場仿真分析APP可查看固體部件表面溫度、烤箱內溫度分布等工程中所需的計算結果。</p><p class="ql-align-center"><span style="background-color: transparent;"><img src="https://pic4.zhimg.com/80/v2-c17e9480fd49ebbf464e81087fa28a7b_1440w.webp" height="555" width="639"></span></p><p>作為一名工程師，熟練掌握并應用仿真分析工具是必不可少的。在烤箱加熱領域，烤箱加熱流場仿真分析APP是一個非常有用的工具，可以幫助工程師快速計算結構局部尺寸、材料特性及熱損耗分布等改變對烤箱內部各部件換熱溫度及內部自然對流流場的影響。</p><p><span style="background-color: transparent;"><img src="https://pic3.zhimg.com/80/v2-8df4d85e086e5bab9c32f16256873932_1440w.webp" height="774" width="1341"></span></p><p>烤箱加熱流場仿真分析APP封裝了隔板間距尺寸參數、材料物性參數以及加熱管熱功率等參數，方便用戶根據實際情況進行輸入和修改。通過計算，用戶可以得到固體部件表面溫度、烤箱內溫度分布等工程中所需的計算結果。
展開 設計仿真 | 齒輪感應加熱熱處理綜述
01 概述 OVERVIEW
對于齒輪的感應加熱熱處理過程，本文通過循環對稱齒輪模型的感應加熱案例簡單介紹Marc的相變熱處理仿真方法和流程。
循環對稱模型仿真須滿足模型結構和邊界條件都遵循循環對稱條件，從而在很大程度縮減模型規模、簡化模型，減少求解時間和內存需求，實現更精細的網格，更詳細地研究模型。
在整體齒輪簡化為循環對稱的模型后，進行感應加熱，淬火連續工藝過程仿真，發現齒輪淬火導致奧氏體向馬氏體的轉換，從而在相變區域獲得更好的材料性能；但也會在齒輪內部引入各種殘余應力，從而改變其機械性能。
02 模型建模細節 Model modeling details
齒輪有18個齒，采用循環對稱只建立一個齒牙，再進行厚度方向對稱定義，然后進行有限元網格劃分。感應加熱階段，電磁線圈內定義150kHz頻率的1200A感應電流進行齒輪加熱，加熱時間2s，然后關閉感應線圈，進行淬火冷卻，冷卻時間7s內。
圖1 齒輪含空氣的簡化模型
為正確計算電磁場，另外需要對齒輪周圍的空氣進行建模，齒輪附近的空氣已采用精細網格建模（接觸體：InnerAir和BelowGearAir），而遠離齒輪的空氣則采用粗網格建模（接觸體：OuterAir）。線圈的扇區是單獨建模的，這樣它就可以在施加電流的電路中使用。圖1所示。
03 邊界條件 Boundary
3.1 電流
當施加電流時，假設該電流在線圈內是恒定的。當截面中線圈的長度與整個線圈的長度不同時，不需要改變。當使用反對稱或循環對稱并且電流垂直于反對稱或周期對稱平面時，通常是這種情況。當由于對稱性，線圈的橫截面積減少時，電流應減少相同的量。
3.2 電壓
與此相反，當施加電壓時，電壓降沿著線圈的長度發生。因此，當對線圈總長度的1/n進行建模時，也應施加電壓降的1/n。
展開 【往年優秀論文賞析】感應加熱數值仿真及其并行加速性能測試
計算機數值模擬方法已經成為求解感應加熱等復雜場問題的有效工具，1996年，K.Sadeghipour等人利用ANSYS軟件有效地進行了鋼板電磁場和溫度場分析，數值模擬的結果得到了試驗的驗證；陳慧琴等用有限元分析方法研究了機車曲軸坯彎曲鐓鍛前的感應加熱過程, 得到了坯料內的溫度分布以及溫度隨時間的變化規律，并與現場實測值進行了對比；帥克剛等人在船外板結構的熱彎曲成型工藝中建立了感應加熱熱源有限元模型，分析了高頻感應加熱溫度場變化，并通過實驗結果驗證了模型的有效性。基于數值仿真方法研究多場問題在眾多行業中得到應用，但很多的應用中或沒有考慮多物理場的耦合關系，或沒有考慮材料非線性特征，研究對象相對簡單，實際上采用數值仿真的方法可以求解更為復雜的多物理場問題。
本文以內鑲金屬顆粒的石墨球為研究對象，建立了電磁場與溫度場耦合的有限元數學模型，基于多場順序耦合的方法，利用通用多場分析軟件ANSYS對石墨球的感應加熱過程進行了數值仿真，考慮材料非線性特征，得到了石墨球溫度隨加熱時間變化規律，并對不同加熱頻率和電流密度下石墨球感應加熱效果進行了分析，本文全部計算借助上海超算中心“蜂鳥”集群完成，最后還就如何有效利用高性能計算資源解決多場問題進行了探討。
2. 分析流程和并行計算
2.1 耦合場分析流程
感應加熱是由工件上的感應電流產生渦損而引發的，工件溫度的升高反過來又引起工件材料導電、導磁性能的變化，在ANSYS軟件上模擬感應加熱的關鍵是研究多場耦合問題。
展開 Abaqus霍普金森壓桿仿真插件：autoSHPB_V2.2 ￥58
1.1.引言
autoSHPB_2.2是基于Abaqus開發的分離式霍普金森壓桿（SHPB）全流程自動仿真插件，具備在插件界面設置好參數后，一鍵全流程仿真，無需手動輔助，自動完成幾何-網格-材料-接觸設置-載荷-場輸出-歷史輸出等流程。
對于零基礎的初學者，本插件可以避免前期花費大量時間的學習Abaqus相關流程，可以基于根據自己的需求先行獲得仿真結果完成主要目標，然后再根據插件生成的CAE文件慢慢學習體會SHPB仿真流程，提高學習效率。
對于非初學者，本插件可以快速調整模型參數和工況設置，短時間內進行大批量SHPB仿真工作，極大提高效率。
由于Abaqus版本變化，附件提供兩個版本插件分別適用Abaqus2016~Abaqus2021，和Abaqus2022~Abaqus2025。使用教程見本文底部視頻。
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