CN108959793B - 一种伞齿轮双频分段循环感应加热数值模拟方法 - Google Patents

一种伞齿轮双频分段循环感应加热数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

一种伞齿轮双频分段循环感应加热数值模拟方法，具体步骤如下：步骤1、模型参数确定；步骤2、几何模型创建；步骤3、计算中频感应加热；步骤4、计算高频感应加热；步骤5、设置双频感应加热过程。本发明对中、高频双频感应加热进行仿真模拟，三次嵌套使用DO循环编写APDL程序，实现双频率的分段循环加热，循环次数的增加提高了加热均匀性；可根据实际加热情况修改物性参数和工艺参数，匹配不同尺寸和材料的伞齿轮的加热循环次数和时间比，实现更好加热效果。

Description

一种伞齿轮双频分段循环感应加热数值模拟方法
技术领域
本发明涉及热处理领域，尤其是一种伞齿轮双频分段循环感应加热数值模拟方法。
背景技术
伞齿轮作为机械传动重要零部件，其表面接触疲劳强度和耐磨性影响正常服役以及工作寿命。利用电磁感应技术对伞齿轮表面加热，具有快速、高效、节能的特点，但同时由于伞齿轮齿面复杂，感应加热时存在尖端效应，齿根和齿顶难以同时实现硬化。利用双频率电流对伞齿轮加热可以有效改善热处理后伞齿轮表面硬化层分布均匀性。
双频感应加热涉及复杂多场耦合分析过程，采用实验的方法对其研究可以得到真实可靠的加热结果，但是耗费时间及物力较大，不便于探究参数改变时对双频加热的量化影响规律。随着计算机技术的飞速发展，数值模拟为这类影响因素复杂、实际加工耗能、成本高的研究提供了有效的分析手段。目前关于双频感应加热的数值模拟分析研究较少，已有的同步双频感应加热模拟方法，是将简谐载荷指定为有时间历程的载荷函数，从而进行瞬态动力学分析；已有的异步双频感应加热模拟方法，是先进行中频感应加热，结束后再进行高频感应加热。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用“绕齿形”感应线圈加热的伞齿轮双频分段循环感应加热数值模拟方法。
本发明基于ANSYS软件进行模拟，利用顺序耦合物理环境法模拟双频感应加热，中、高频加热循环实施。本发明通过以下技术方案实现：
伞齿轮双频分段循环感应加热数值模拟方法的具体步骤如下：
步骤1、模型参数确定：根据伞齿轮双频感应加热实际生产过程确定模型建立的几何参数，提取实际加热时感应线圈内的电流载荷，确定工艺参数；
步骤2、几何模型创建：根据步骤1确定的几何参数建立几何模型以及空气模型，为所建立模型赋予材料物理性能参数；划分网格，对模型进行单元离散化；
步骤3、计算中频感应加热：在线圈上施加中频感应加热条件下的载荷，限定边界条件；读入中频电磁场物理文件，创建电磁分析物理环境；创建热分析物理环境；执行计算程序，采用DO循环计算中频感应加热过程中电磁-热耦合；存储结果数据；
步骤4、计算高频感应加热：在线圈上施加高频感应加热条件下的载荷，限定边界条件；以中频感应加热后的温度场分布作为高频感应加热的初始热源，读入高频电磁场物理文件，创建电磁分析物理环境；创建热分析物理环境；执行计算程序，采用DO循环计算高频感应加热过程中电磁-热耦合；存储结果数据；
步骤5、设置双频感应加热过程：采用DO循环计算中频感应加热和高频感应加热过程，设置循环次数，中、高频感应加热时间比，总加热时间；完成加热，将最终计算结果存储到数据库。
在步骤1中，所述模型建立的几何参数，是指伞齿轮尺寸参数和“绕齿形”感应线圈尺寸参数。
在步骤3中，所述中频感应加热条件下的载荷是指电流频率为6kHZ，电流密度为1.5×108A/m2。
在步骤4中，所述高频感应加热条件下的载荷是指电流频率为100kHZ，电流密度为6.0×107A/m2。
在步骤5中，所述循环次数为30次，中、高频感应加热时间比为2:1，总加热时间为45s；所述循环计算，是指每次循环包括中频感应加热1s和高频感应加热0.5s，并且每次循环都是基于上一次计算结果进行的。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)对中、高频双频感应加热进行仿真模拟，三次嵌套使用DO循环编写APDL程序，实现双频率的分段循环加热，循环次数的增加提高了加热均匀性；
(2)可根据实际加热情况修改物性参数和工艺参数，匹配不同尺寸和材料的伞齿轮的加热循环次数和时间比，实现更好加热效果。
附图说明
图1为本发明的双频感应加热模拟流程图；
图2为本发明一个实例的装配示意图；
图3为本发明的几何建模示意图；
图4为本发明的网格划分示意图；
图5为本发明的双频感应加热温度模拟云图。
具体实施方式
在图1至图4所示的本发明的示意简图中，本发明针对伞齿轮双频感应加热过程进行仿真，在保证对研究目标影响作用不大的前提下，对模拟过程作出如下假设及处理：(1)伞齿轮密度不变；(2)在温度场分析过程中，不考虑感应线圈、空气等的温度变化：感应线圈采用紫铜材料制作，电阻小，因此电阻热影响很小，并且感应加热时间极短，线圈中通入冷却水，线圈上热量变化对工件加热影响很小，可以忽略；(3)利用“绕齿形”感应线圈加热伞齿轮时，主要是分析双频感应加热对两齿齿间的加热作用效果，因此建立模型时为减少计算量，提高计算效率，只选取伞齿轮两齿以及齿间部分感应线圈进行建模。
伞齿轮双频分段循环感应加热数值模拟方法的具体步骤如下：
步骤1、模型参数确定，根据伞齿轮双频感应加热实际生产过程确定模型建立的几何参数，根据实际加热时感应线圈内的电流载荷确定工艺参数，如图2所示为加工实例的装配示意图；
步骤2、几何模型创建，根据步骤1确定的几何参数建立几何模型以及空气模型，如图3所示为几何模型示意图，为所建立模型赋予材料物理性能参数；划分网格，如图4所示为网格划分示意图；
步骤3、计算中频感应加热，在线圈上施加中频感应加热条件下电流频率为6kHZ，电流密度为1.5×108A/m2，限定边界条件；读入中频电磁场物理文件，创建电磁分析物理环境；创建热分析物理环境；执行计算程序，采用DO循环计算中频感应加热过程中电磁-热耦合，设置中频感应加热时间为1s；计算结束，存储结果数据；
步骤4、计算高频感应加热，在线圈上施加高频感应加热条件下100kHZ，电流密度为6.0×107A/m2，限定边界条件；以中频感应加热后的温度场分布作为高频感应加热的初始热源，读入高频电磁场物理文件，创建电磁分析物理环境；创建热分析物理环境；执行计算程序，采用DO循环计算高频感应加热过程中电磁-热耦合，设置高频感应加热时间为0.5s；计算结束，存储结果数据；
步骤5、设置双频感应加热过程，具体包括：采用DO循环计算中频感应加热和高频感应加热过程，设置循环次数为30，中、高频感应加热时间比为2:1，总加热时间为45s，其中每次循环包括中频感应加热1s和高频感应加热0.5s，并且每次循环都是基于上一次计算结果进行的；完成加热，将最终计算结果存储到数据库。

Claims (5)

1.一种伞齿轮双频分段循环感应加热数值模拟方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1、模型参数确定：根据伞齿轮双频感应加热实际生产过程确定模型建立的几何参数，提取实际加热时感应线圈内的电流载荷，确定工艺参数；
步骤2、几何模型创建：根据步骤1确定的几何参数建立几何模型以及空气模型，为所建立模型赋予材料物理性能参数；划分网格，对模型进行单元离散化；
步骤3、计算中频感应加热：在线圈上施加中频感应加热条件下的载荷，限定边界条件；读入中频电磁场物理文件，创建电磁分析物理环境；创建热分析物理环境；执行计算程序，采用DO循环计算中频感应加热过程中电磁-热耦合；存储结果数据；
步骤4、计算高频感应加热：在线圈上施加高频感应加热条件下的载荷，限定边界条件；以中频感应加热后的温度场分布作为高频感应加热的初始热源，读入高频电磁场物理文件，创建电磁分析物理环境；创建热分析物理环境；执行计算程序，采用DO循环计算高频感应加热过程中电磁-热耦合；存储结果数据；
步骤5、设置双频感应加热过程：采用DO循环计算中频感应加热和高频感应加热过程，设置循环次数，中、高频感应加热时间比，总加热时间；完成加热，将最终计算结果存储到数据库。
2.根据权利要求1所述的一种伞齿轮双频分段循环感应加热数值模拟方法，其特征在于：在步骤1中，模型建立的几何参数，是指伞齿轮尺寸参数和“绕齿形”感应线圈尺寸参数。
3.根据权利要求1所述的一种伞齿轮双频分段循环感应加热数值模拟方法，其特征在于：在步骤3中，中频感应加热条件下的载荷是指电流频率为6kHZ，电流密度为1.5×108A/m2。
4.根据权利要求1所述的一种伞齿轮双频分段循环感应加热数值模拟方法，其特征在于：在步骤4中，所述高频感应加热条件下的载荷是指电流频率为100kHZ，电流密度为6.0×107A/m2。
5.根据权利要求1所述的一种伞齿轮双频分段循环感应加热数值模拟方法，其特征在于：在步骤5中，循环次数为30次，中、高频感应加热时间比为2:1，总加热时间为45s；循环计算，是指每次循环包括中频感应加热1s和高频感应加热0.5s，并且每次循环都是基于上一次计算结果进行的。
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