ANSYS感應加熱仿真的案例
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 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?；跀抵?em>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。
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使用Ansys Maxwell對感應電機堵轉和起動過程仿真
- 如果求解是周期性的，可以使用分布式任務求解一個完整的周期(而且只需要求解一個)
（5）周期/半周期TDM
● 周期TDM
設置仿真時間為一個或多個周期，軟件只需計算一個周期，直接輸出所有周期結果，并直接達到瞬態穩態，典型應用是同步電機的短路分析，感應電機堵轉分析
● 半周期TDM
設置仿真時間為半個周期，軟件只需計算半個周期，直接輸出一個完整周期結果，典型應用是快速計算同步電機的穩態工況
（6）方法
● 方法一：常規瞬態仿真，單核計算單任務
- 仿真40個電周期后轉矩趨于穩定，計算時間:3min48sec
● 方法二：使用周期TDM
- 只需仿真一個電周期，直接達到穩態，計算時間:0min57sec
● 方法三：使用半周期TDM
- 只需仿真半個電周期，軟件自動給出穩定后一個完整電周期的結果，計算時間:0min21sec
（7）結論
利用周期性TDM功能可大幅降低感應電機堵轉工況仿真時間，且精度可靠。
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