Задачи индукционного нагрева и закалки объектов. ANSYS Maxwell - ANSYS Transient Thermal

В индукционном нагреве используются катушки возбуждения разнообразной формы, по которым пропускается электрический ток высокой частоты. Переменное магнитное поле индуктора создаёт в нагреваемом объекте вихревые токи, которые являются источником значительного тепловыделения. При индукционном методе нагрева процесс полностью управляем, при этом достигается высокая точность позиционирования. Тепловые и электрические свойства являются локальными функциями температуры и создают нестационарный электротермический отклик. Индукционный нагрев в основном используется для термической обработки материалов, плавки, пайки и сварки металлов.

Вне зависимости от процессов возникновения токов в сплошных проводниках, протекание их сопровождается с выделением Джоулева тепла, что является источником в тепловой системе. Электрические и теплофизические свойства материалов зависят от температуры, что влияет на распределение тока в проводниках и тепловой поток. Управление Джоулевыми потерями и контролирование изменения температуры стало возможно с помощью специальной методики моделирования в программном обеспечении ANSYS.

Установка индукционного нагрева включает в себя катушку возбуждения с высокой плотностью тока на частоте в несколько килогерц и проводящий целевой объект, размещенный внутри или около катушки возбуждения для наведения индукционных токов и генерирования тепла (рисунок 1). В мощных установках индукционного нагрева катушки возбуждения изготавливаются из полой медной трубки с жидкостным охлаждением. Дополнительные конструкционные элементы используются для поддержания нагреваемого объекта и создания нужного направления теплового потока и его продолжительности. Целевым объектом обычно является заготовка с заданием на создание нужного профиля температуры в конструкции или поверхность, на которой находится объект термообработки, например, варочная кухонная поверхность.

Рисунок 1. Упрощенная модель для демонстрационного примера. Полная трехмерная, осесимметричная, и 1/12 сектор модели.  Индуктор выполнен из медной трубки с жидкостным охлаждением. Нагреваемый объект разогревается индуцируемыми в нём токами. В упрощенной модели объект термически изолирован, за исключением конвективного теплообмена на всей внешней поверхности.

Килогерцовый диапазон возбуждения индуктора является очень непростой задачей для моделирования. Электрический масштаб времени в таком случае измеряется в долях миллисекунд, в то же время амплитуда отклика в тепловых процессах обычно измеряется в секундах и более. Идея разделения моделирования на электрическое и тепловое позволит использовать высокоточный анализ электромагнитного поля с обновлением температур от нестационарного теплового расчёта. Такой подход позволяет обеспечить эффективный и точный отклик электротермический отклик для этого класса задач.

Электромагнитный решатель гармонического магнитного поля в ANSYS Maxwell используется для моделирования в килогерцовом диапазоне с разрешением поверхностного слоя. Электромагнитные свойства в ANSYS Maxwell могут быть заданы, как функции температуры (рисунок 2). Температура может быть назначена для каждого тела, непосредственно в Maxwell или передана из ANSYS Transient Thermal.  Адаптивный сеточный генератор ANSYS Maxwell позволяет с высокой точностью определить электромагнитные потери от индуцированных токов в произвольных геометрических телах. Процесс автоматического перестроения сетки гарантирует, что вычисление потерь является точным для произвольного изменения геометрии, так как всегда корректно находит глубину скин слоя для учёта индуцированных токов, что затруднительно при ручном создании сеточной модели.

Рисунок 2. Зависимые от температуры свойства нагреваемого объекта: a) электропроводность / удельное сопротивление, b) относительная проницаемость, c) удельная теплоемкость и d) теплопроводность.

В тепловой части задачи используются стационарные и нестационарные решатели ANSYS Thermal. Усредненные потери переменного тока передаются с сеточной модели ANSYS Maxwell и являются пространственно-распределенной нагрузкой в тепловой задаче. Решение тепловой задачи используется для определения нелинейного отклика теплового потока на основании электромагнитных потерь тепла и любых дополнительных нагрузок, различных граничных условий. Нестационарное электротермическое моделирование осуществляется автоматизировано, используя возможности создания сценариев в рамках ANSYS Workbench, что позволяет изменять параметры электромагнитной задачи и граничные условия во время расчёта. Примеры результатов приведены на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3. Входные и выходные данные нестационарного электротермического моделирования. Верхний график показывает изменение среднеквадратичного тока индуктора во времени. Уменьшение тока индуктора используется для поддержания нужной температуры объекта во времени. Нижний график показывает изменение максимальной и минимальной температуры объекта.

Рисунок 4. Распределение электромагнитных потерь, рассчитанные в ANSYS Maxwell, переносятся, как импортированные нагрузки, в тепловые модули ANSYS, которые вычисляют температуру и передают её распределение обратно в ANSYS Maxwell. Визуализация позволяет быстро идентифицировать пути теплового потока и локальные горячие точки.

Два расчётных модуля связаны в ANSYS Workbench в соответствие схеме проекта (рисунок 5) для передачи геометрической модели и всех необходимых данных для вычислений. Геометрия подразделяется таким образом, что в электромагнитном или тепловом моделировании используются только необходимые фрагменты тел, но вся геометрия передается, доступна и обновляется всякий раз, когда происходит изменение соответствующих параметров. Настроенная связь позволяет легко изменять геометрию и весь проект. Кроме того, прочностные модели могут быть связаны с тепловым моделированием для анализа напряжений и усталости из-за термических циклов.

Рисунок 5. ANSYS Workbench позволяет передавать геометрические модели и обмениваться данными между рассчётными модулями. Эта возможность используется в связанной электротермической задаче, где потери на вихревые токи передаются из электромагнитного модуля ANSYS Maxwell в модуль для решения нестационарной тепловой задачи, а распределение температуры возвращается в ANSYS Maxwell для корректировки свойств материалов.

В завершении вашему вниманию предлагаются анимации нагрева заготовки подвижным и неподвижным индуктором, полученные с использованием этого метода автоматического расчёта.