[发明专利]一种工件运动状态下多频感应淬火加热的有限元模拟方法

说明书

本发明公开了一种工件运动状态下多频感应加热的有限元模拟方法，涉及工件热处理技术领域，利用有限元软件建立在转动条件下的电‑磁‑热‑运动多场耦合模型，通过等效代替的方法，将连续加热过程离散化，合理调节中高频单次加热时间步长，并将单次中高频加热结果进行叠加，等效单个时间段内连续加热过程，再通过读取循环程序宏文件，使工件转动一定角度，同时，在下一次中高频迭代过程中承接上一步叠加后的温度结果，将单个计算过程串联，提高有限元仿真精确性，更加贴近于现实，对实际生产具有指导意义。

技术领域

本发明涉及工件热处理技术领域，特别是涉及一种工件运动状态下多频感应加热的有限元模拟方法。

背景技术

感应淬火热处理的原理为：将工件放在用空心铜管绕成的感应器内，通入中频或高频交流电后，在工件表面形成同频率的感应电流，将零件表面迅速加热后立即喷水冷却或浸油淬火，使工件表面层淬硬。

但是，对于表面结构复杂的工件，在加热过程中，在集肤效应、邻近效应、端部效应的影响下，单频(中频或高频)感应淬火容易出现工件表面温度不均匀，造成高频感应淬火时滚道底部淬硬不足或者中频感应淬火时滚道顶部过热的现象。公开号为CN112877508A的专利公开了一种基于异形感应器的异步双频感应加热数值模拟方法，该专利中提出了一种针对链轮的不同感应线圈的异步双频感应加热数值模拟方法，获得了相对于单频感应加热更为均匀的加热层，但是并未考虑实际加热时转换线圈时的运动过程，影响仿真精确性，并且异步双频加热时切换线圈时间隔较长，中高频迭代效果不突出，特别是针对表面结构复杂的工件，难以得到均匀的表面温度层。

随着有限元分析软件在工程应用上的广泛使用，合理的计算结果可以大大缩减设计周期、节约成本。针对工件运动状态下的多频感应加热过程也可以用有限元模拟方法求解，但是，在多频迭代的条件下同时考虑感应线圈转动加热的有限元仿真涉及到电-磁-热-运动多场耦合问题，目前还没有有限元软件能够精确的建立转动下的多频同时加热模型，因此亟需一种工件运动状态下的多频同时加热的有限元仿真方法，提高加热质量并减少仿真误差是十分迫切且必要的。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本申请提出一种工件运动状态下多频感应加热的有限元模拟方法，该方法包括建立仿真三维模型和局部坐标系，利用激活局部坐标系指定中高频线圈转向，建立空气模型，划分网格，创建电磁和热物理环境，进而建立工件在转动条件下的电磁-热-运动耦合模型，通过中高频依次迭代施加载荷，合理控制单次中高频加热时间，并叠加单次中高频温度结果，最后通过读取循环嵌套程序宏文件衔接上上一步加热时间，使单次中高频迭代时承接上一步叠加后的温度结果，将连续过程离散化，提高仿真结果精确性，为实际生产做出指导。

本发明采用的技术手段如下：

本发明提供了一种工件运动状态下多频感应加热的有限元模拟方法，包括以下步骤：

设定感应线圈单次转动角度、第一频率单次加热时间步和第二频率单次加热时间步；

根据工件和实际线圈尺寸建立工件多频感应加热模型；

基于所述工件多频感应加热模型，建立以工件为中心的坐标系；

建立工件的空气域模型，以模拟实际感应加热过程感应线圈磁场发散到周围空气中，并对工件和多频感应线圈进行网格划分；

在第一频率单次加热时间步之内，求解第一频率加热温度场；

在第二频率单次加热时间步之内，求解第二频率加热温度场；

叠加第一频率加热温度场结果和第二频率加热温度场结果，形成本次加热时间步的温度场结果；感应线圈转动所述感应线圈单次转动角度；

以上一次叠加第一频率和第二频率加热温度场后的温度结果作为下一次计算的初始条件，在加热时间内进行循环迭代计算。

进一步地，在加热时间内进行循环迭代计算，包括：