对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的模拟方法，该仿真方法将感应线圈的运动代替实际生产中焊管的运动，编写了基于ANSYS APDL语言的宏文件库，包括:a)控制库，用来控制参数库中宏文件的执行顺序；b)参数库，包括线圈在不同位置时的建模参数以及载荷参数；c)环境库，用来建立电磁分析和热分析两个物理环境所需的几何模型、网格划分、载荷施加和求解类型等；d)计算库采用DO循环进行感应加热过程的电磁‑热耦合计算，并将求解结果存储到数据库中。与现有仿真技术相比，本发明专利技术可对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真，模拟更加贴近现实；仅通过修改参数，可以模拟工厂各种生产工艺；整个仿真过程以ANSYS软件为平台，自动化运行，操作简单，方便工厂技术人员掌握和使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于感应热处理研究领域，涉及一种对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的模拟方法。
技术介绍
感应热处理技术是利用感应涡流的热效应，使工件在很短的时间内加热到所需要的温度。由于其具有节能、快速加热及可对工件进行局部淬火等优点，该技术被广泛应用于冶金机械、石油钻机和汽车制造等工业领域。焊接钢管的冶金质量和使用性能取决于管体钢材的冶金质量、制管焊接的工艺技术以及焊缝的热处理三个因素。随着高强度、高韧性焊管的广泛应用，对焊缝的冶金质量要求会更为严格。因此对直缝焊管进行中频热处理的研究是很有意义的。焊管的使用性能是由管体和焊缝两部分金属的性能综合评定的，任何一方的最弱项都将决定焊管的使用性能。焊管在进行高频焊接时，管坯边缘的温度急剧升高，在焊缝附近区域产生很大的温度梯度。如不进行中频热处理，焊接冷却后加热区会形成硬而脆的粗晶粒组织，同时产生很大的残余应力，使焊缝区的组织性能与管体产生很大的差别，这严重影响了焊管的使用寿命并存在重大的安全隐患。为此，在实际的生产过程中，焊管经过高频焊接后都需要进行中频热处理，以此来消除焊缝区与母材之间的性能差异。直缝焊管在实际生产中是一个连续的过程，焊管在经过高频焊接后直接进行在线感应热处理，整个生产过程焊管一直沿轴向做匀速运动。对直缝焊管中频热处理工艺进行模拟仿真主要分为两种方法：一种是根据位移(s)＝速度(v)×时间(t)，将求解与位移有关的问题转化为求解在恒定速度下的时间问题；另一种是热源平移法，通过把电磁分析的热源作为载荷进行移动，以此模拟工件和感应器的相对运动。第一种仿真方法对程序的设计和编辑要求较低，目前应用较为广泛。但是整个仿真过程没有感应线圈和焊管之间的相对运动，没有充分考虑焊缝处轴向方向的热传导，因此这种仿真方法存在一定的误差。第二种仿真方法简化了电磁场和温度场的耦合过程，在材料磁导率或电导随温度变化很大的情况下采用此方法时会带来极大误差。由于焊缝热处理过程是高频焊管生产过程中一个必不可少的工艺，考虑到焊缝的最终质量受诸多工艺参数的影响，因此采用有限元法对在不同工艺参数下进行热处理后的焊缝质量进行预报模拟，以便在生产过程中采取相应的工艺参数保证焊缝质量。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术中的不足，提供一种基于ANSYS的对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的模拟方法。本专利技术是将感应线圈进行步进式移动，线圈在某一位置加热完毕后步进到下一位置。这种仿真方法通过感应线圈和焊管之间的相对运动，实现了动态模拟，更加贴近真实的生产情况，故该方式是今后进行动态仿真的主流。这种仿真方法由于感应线圈的不断移动，因此要多次进行重新建模、网格划分、创建物理环境、求解等。仅依靠人工来实现以上工作内容，费时费力，因此设计一套程序，使计算机自动完成整个仿真过程的计算显得尤为重要。为了解决上述存在的技术问题，针对将感应线圈进行步进式移动进行感应加热的过程，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的模拟方法，该方法内容包括以下步骤：步骤1，执行控制库程序，该控制库程序是依据参数库内宏文件的执行顺序进行编写的；步骤2，执行参数库程序，该参数库程序包括：根据直缝焊管中频感应热处理生产装置确定建模参数；根据感应线圈每次移动距离和所需移动的长度确定感应线圈的移动次数；根据生产中感应线圈的负载，将施加的载荷进行参数化；步骤3，执行环境库程序，该环境库程序包括：在对应的参数下建立几何模型，划分网格，施加载荷和边界条件，确定求解类型；根据两个感应线圈的负载情况创建不同的电磁分析物理环境，以实现两个感应线圈对焊管同时感应加热的目的；创建热分析物理环境对整个焊管进行瞬态热分析；步骤4，执行计算库程序，该计算库程序包括：采用DO循环进行感应加热过程的电磁-热耦合计算；将电磁分析和热分析产生的结果数据存储到数据库中；步骤5，重复步骤1～步骤4，直至感应线圈完成对整个焊管的感应加热，实现对直缝焊管中频热处理过程的动态仿真；每个步骤之间通过使用嵌套宏文件，建立宏文件库之间的联系，达到整个仿真过程自动化运行。在步骤2中，所述感应线圈的负载是指电流频率和电流密度。在步骤3中，所述两个感应线圈，是指在焊缝正上方的轴向方向上布置两个感应线圈，来实现对焊缝进行两次中频感应加热以达到热处理温度的目的。在步骤3中，所述创建不同的电磁物理环境是指采用建立不同电磁物理环境的方法，实现具有不同电流频率的两个线圈同时对直缝焊管进行感应加热。在步骤4中，所述将电磁分析和热分析产生的结果数据存储到数据库中，是指应用APDL参数化有限元分析技术编写相应的程序，创建用于存放电磁分析和热分析的数据库，实现每次分析完成后将所求结果存放到数据库中。所述应用APDL参数化有限元分析技术编写相应的程序是指：实现电磁分析和热分析之间的数据传递；编写APDL程序，将电磁分析所产生的焦耳热从数据库中提取出来，作为内热源施加到热分析中；将热分析所产生的温度从数据库中提取出来，作为初始载荷施加到电磁分析中，实现感应加热过程的电磁热耦合计算。由于采用上述技术方案，本专利技术与现有技术相比可以达到这样的有益效果：本专利技术可对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真，可以模拟工厂各种生产工艺，模拟更加贴近现实；本专利技术通过修改参数库内的工艺参数，可以针对不同的中频热处理工艺进行动态仿真；通过修改参数内的焊管模型参数，可以对不同规格的焊管进行感应加热过程的动态仿真；采用步进式感应加热的方法实现焊管和感应线圈之间的相对运动，使模拟更加贴近现实；整个仿真过程以ANSYS软件为平台，模拟过程自动化运行，操作简单，方便工厂技术人员掌握和使用。附图说明图1为本专利技术实施过程的程序执行示意图；图2为本专利技术的直缝焊管感应加热过程有限元模拟流程图；图3是根据直缝焊管中频热处理工艺建立的几何模型示意图；图4是对图3所示几何模型进行网格划分后的有限元模型示意图；图5为焊管焊缝处网格划分示意图；图6为本专利技术的直缝焊管感应加热过程示意图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述：本专利技术针对直缝焊管的中频热处理过程进行动态仿真，需要将高频焊接后的温度场做为初始温度场。首先在所建焊缝模型整个轴向长度的节点上施加高频焊接后的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的模拟方法，其特征在于该方法内容包括以下步骤：步骤1，执行控制库程序，该控制库程序是依据参数库内宏文件的执行顺序进行编写的；步骤2，执行参数库程序，该参数库程序包括：根据直缝焊管中频感应热处理生产装置确定建模参数；根据感应线圈每次移动距离和所需移动的长度确定感应线圈的移动次数；根据生产中感应线圈的负载，将施加的载荷进行参数化；步骤3，执行环境库程序，该环境库程序包括：在对应的参数下建立几何模型，划分网格，施加载荷和边界条件，确定求解类型；根据两个感应线圈的负载情况创建不同的电磁分析物理环境，以实现两个感应线圈对焊管同时感应加热的目的；创建热分析物理环境对整个焊管进行瞬态热分析；步骤4，执行计算库程序，该计算库程序包括：采用DO循环进行感应加热过程的电磁‑热耦合计算；将电磁分析和热分析产生的结果数据存储到数据库中；步骤5，重复步骤1～步骤4，直至感应线圈完成对整个焊管的感应加热，实现对直缝焊管中频热处理过程的动态仿真；每个步骤之间通过使用嵌套宏文件，建立宏文件库之间的联系，达到整个仿真过程自动化运行。

【技术特征摘要】
1.一种对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的模拟方法，其特征在于
该方法内容包括以下步骤：
步骤1，执行控制库程序，该控制库程序是依据参数库内宏文件的执行顺序
进行编写的；
步骤2，执行参数库程序，该参数库程序包括：根据直缝焊管中频感应热处
理生产装置确定建模参数；根据感应线圈每次移动距离和所需移动的长度确定
感应线圈的移动次数；根据生产中感应线圈的负载，将施加的载荷进行参数化；
步骤3，执行环境库程序，该环境库程序包括：在对应的参数下建立几何模
型，划分网格，施加载荷和边界条件，确定求解类型；根据两个感应线圈的负
载情况创建不同的电磁分析物理环境，以实现两个感应线圈对焊管同时感应加
热的目的；创建热分析物理环境对整个焊管进行瞬态热分析；
步骤4，执行计算库程序，该计算库程序包括：采用DO循环进行感应加热
过程的电磁-热耦合计算；将电磁分析和热分析产生的结果数据存储到数据库中；
步骤5，重复步骤1～步骤4，直至感应线圈完成对整个焊管的感应加热，实现对
直缝焊管中频热处理过程的动态仿真；每个步骤之间通过使用嵌套宏文件，建
立宏文件库之间的联系，达到整个仿真过程自动化运行。
2.根据权利要求1所述的一种对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的
模拟方法，其特征在于：在步骤2中，所述感...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩毅，赵天旭，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13