[发明专利]一种基于有限元仿真的超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈的设计方法

摘要

本发明提供一种基于有限元仿真的超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈的设计方法。根据超高强度钢光轴工件以及感应线圈形状几何模型，在网格划分和材料属性加载后，进行感应加热的有限元模拟，将模拟所得的结果和实验测量的结果进行比对，若两者能够很好的吻合，则进行下一步的超高强度钢螺纹类工件感应线圈的设计。从感应线圈的形状因素，位置因素和匝数进行优化设计，确保设计的感应线圈能够使超高强度钢螺纹类工件的螺纹部位在感应加热局部回火过程中得到均匀化的回火温度。将有限元引入超高强度钢螺纹件局部回火感应线圈设计中，不仅有助于实现螺纹件局部回火感应加热过程温度分布的可视化，优化设计进程，而且能够减少设计失误，节约设计成本。

主权项

一种基于有限元仿真的超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈的设计方法，其特征在于，包括：步骤1：超高强度钢光轴工件感应加热过程的有限元仿真，包括以下步骤：步骤1.1：根据模型的轴对称性，取模型截面的二分之一进行几何建模，所述模型包括由工件、感应线圈和空气组成的系统，几何模型在有限元软件前处理器中创建或者从其它建模软件中读入；步骤1.2：赋予几何模型相应的单元属性和材料属性，定义20℃‑800℃温度范围内所述工件的密度，比热容，焓值，热导率，电阻率以及相对磁导率，所述感应线圈的电阻率和相对磁导率，空气的相对磁导率；步骤1.3：对建立的几何模型进行网格化分；步骤1.4：电磁场分析中，设定所述空气远场区域边缘处磁势为零，工件对称面上设置相应的磁势为零，所述钢件中心施加磁力线平行边界条件，在感应线圈的截面上施加相应的激励电流；步骤1.5：温度场分析中，设定所述感应线圈与空气单元都设置为空单元，只计算所述工件区域的温度场，所述模型的初始温度设定为常数，设置所述工件与表面接触的空气进行辐射以及对流热交换；步骤1.6：采用顺序耦合法进行电磁‑温度耦合计算，首先根据初始温度条件，确定该温度下超高强度钢的热物性参数，求解电磁场问题，得到电磁感应的热生成率，并以此作为温度场模拟计算的初始热源，然后进行温度场计算，同时根据此时所述工件的温度场分布，来修正超高强度钢的热物性参数，然后求解电磁场，如此循环，直到到达设定的加热时间，得到所述工件的最终温度分布；步骤2：超高强度钢光轴工件感应加热过程的实验验证，包括以下步骤：步骤2.1：在超高强度钢光轴工件表面指定位置焊接K型热电偶，结合USB温度采集器以及计算机组成的系统进行温度数据的测量；步骤2.2：感应加热的实验验证过程中，所采用的工艺参数和模拟仿真过程保持一致，采用上述的温度采集系统测量指定点的温度‑时间历程曲线；步骤2.3：将实测的温度曲线和模拟仿真所得温度曲线进行对比，若误差较大，则需对超高强度钢的热物性参数和网格模型进行修改，重复上述操作，直至实测和模拟数据能够较好的吻合；若误差在可接受的范围内，则认为所建立的模型是可靠的，进行下一步操作；步骤3：设计适合超高强度钢螺纹类工件局部回火的感应线圈，包括以下步骤：步骤3.1：在所述有限元分析软件中，取所述超高强度钢螺纹类工件模型截面的二分之一进行建模，根据感应线圈形状因素，位置因素以及匝数建立不同的线圈模型；步骤3.2：利用所述有限元软件自身的前处理器创建或从其他建模软件中读入几何模型；步骤3.3：重复步骤1.3‑步骤1.6，进行超高强度钢螺纹类工件感应加热局部回火的模拟仿真，最终得到工件感应回火后的温度分布；步骤3.4：根据所述工件局部感应回火后的温度分布，判断感应线圈的设计是否合理。