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技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及工件热处理
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]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。
[0006]本专利技术采用的技术手段如下：
[0007]本专利技术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：
[0008]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；
[0009]根据工件和实际线圈尺寸建立工件多频感应加热模型；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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。
[0016]进一步地，在加热时间内进行循环迭代计算，包括：
[0017]设定初始值i＝0，j＝1，k＝2；
[0018]判断是否j<k，如果是，则求解第一频率加热温度场，当完成时间子步循环时，令j＝j+2；如果否，求解第二频率加热温度场，当完成时间子步循环时，令k＝k+2、i＝i+1；
[0019]再次判断是否j<k，如果是，则提取第i次中频加热和高频加热温度场结果，并将两温度场进行手动叠加，形成新的温度场结果，如果否，则读取循环程序宏文件，进行下一次迭代计算。
[0020]进一步地，形成新的温度场结果之后，还包括：判断是否达到预定加热时间，若达到，加热结束；若未达到，则读取循环程序宏文件，进行下一次迭代计算。
[0021]进一步地，求解第一频率加热温度场包括：
[0022]若i＝0，则以t＝25℃为初始条件，读取第一频率电磁场和温度场物理环境，求解第一频率加热温度场并保存结果，第一频率加热时间步长为m；
[0023]若i≠0，则以第i次叠加后的温度场为初始条件，读取第一频率电磁场和温度场物理环境，求解第一频率加热温度场并保存结果，加热时间衔接上一时间步长T＝m
×
j；
[0024]判断是否完成时间子步循环，若未完成，则读取上一子步温度场温度结果为初始施加条件，求解第一频率加热温度场并保存结果；
[0025]求解第二频率加热温度场包括：
[0026]若i＝0，则以t＝25℃为初始条件，读取第二频率电磁场和温度场物理环境，求解第二频率加热温度场并保存结果，第二频率加热时间步长为m；
[0027]若i≠0，则以第i次叠加后的温度场为初始条件，读取第二频率电磁场和温度场物理环境，求解第二频率加热温度场并保存结果，加热时间衔接上一时间步长T＝m
×
k；
[0028]判断是否完成时间子步循环，若未完成，读取上一子步温度场温度结果为初始施加条件，求解第二频率加热温度场并保存结果。
[0029]进一步地，通过循环嵌套程序宏文件，衔接上上一步加热时间，使本次迭代计算过程中承接上一步叠加后的温度结果。
[0030]进一步地，所述工件为滚珠丝杠。
[0031]进一步地，所述第一频率为中频；所述第二频率为高频。
[0032]进一步地，中高频感应线圈为弓字型结构环绕在滚珠丝杠周侧。
[0033]进一步地，中高频感应线圈绕滚珠丝杠自身轴线转动式加热，通过调节中高频频
线圈转速和中高频感应线圈周向弧度比来提高滚珠丝杠加热质量。
[0034]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0035]1.本专利技术巧妙的运用等效替代的方法，合理控制单次多种频率加热时间，并叠加单次多种频率温度结果，等效单个时间段内的连续加热过程，解决无法在仿真软件中同时施加两个频率载荷电流的问题，而后通过读取循环嵌套程序宏文件衔接上一步加热时间，使单次中高频迭代时承接上一步叠加后的温度结果，将连续转动多频加热过程离散化，使模拟更加准确可靠。
[0036]2.本专利技术提供的工件运动状态下多频感应加热的有限元模拟方法，建立了工件多频同时感应加热过程中电磁
‑
热
‑
运动多场耦合模型，解决了传统异步多频加热仿真不考虑运动因素的问题，更加贴近于现实，对实际生产具有指导意义。
附图说明
[0037]为了更本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工件运动状态下多频感应加热的有限元模拟方法，其特征在于，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圆柱坐标系；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。2.根据权利要求1所述的一种工件运动状态下多频感应加热的有限元模拟方法，其特征在于，在加热时间内进行循环迭代计算，包括：设定初始值i＝0，j＝1，k＝2；判断是否j<k，如果是，则求解第一频率加热温度场，当完成时间子步循环时，令j＝j+2；如果否，求解第二频率加热温度场，当完成时间子步循环时，令k＝k+2、i＝i+1；再次判断是否j<k，如果是，则提取第i次中频加热和高频加热温度场结果，并将两温度场进行手动叠加，形成新的温度场结果，如果否，则读取循环程序宏文件，进行下一次迭代计算。3.根据权利要求2所述的一种工件运动状态下多频感应加热的有限元模拟方法，其特征在于，形成新的温度场结果之后，还包括：判断是否达到预定加热时间，若达到，加热结束；若未达到，则读取循环程序宏文件，进行下一次迭代计算。4.根据权利要求2所述的一种工件运动状态下多频感应加热的有限元模拟方法，其特征在于，求解第一频率加热温度场包括：若i＝0，则以t＝25℃为初始条件，读取第一频率电...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志亮，雷干，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：