CN110162897B - 一种大口径弯管加热导磁体优化方法 - Google Patents

一种大口径弯管加热导磁体优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大口径弯管加热导磁体优化方法，根据工件、线圈进行建模并划分网格，对导磁体模型进行分割，对所需导磁体部位赋予导磁体属性，其余部位赋予空气属性，并对导磁体模型划分网格，对大口径弯管进行多次感应加热模拟，每次模拟后均对导磁体分布进行优化，直至大口径弯管感应加热模拟结果温度分布均匀，温度均匀时导磁体模型中赋予导磁体属性的那一部分即为所需的导磁体优化结果；通过ANSYS‑APDL语言汇编语言编写程序，提高分析效率；通过分割导磁体模型的形式，分区域，精细化，实现一种动态变化，避免多次重复建模，节省时间人力。

Description

一种大口径弯管加热导磁体优化方法
技术领域
本发明涉感应加热领域，涉及一种大口径弯管加热导磁体优化方法。
背景技术
由于受到管道设计、地形复杂情况和施工工艺等影响，大口径、长距离大型管道工程铺设必然要用到弯管、管帽等配套管件。目前在工程中应用的弯管主要有冷弯管、感应加热弯管两种类型。冷弯管加工设备与制造工艺简单，效率高、成本低，感应加热弯管加工技术要求高，工艺、设备复杂，成本高、效率低，多用于重要和特殊要求场合。由于感应加热弯管强度、韧性和应力状态好于冷弯管，在管道铺设过程中，重要管段和特殊位置多采用感应加热弯管。
感应加热弯管加工过程中，弯管的加工质量除与钢管材料属性、机械性能以及加工设备能力、加工精度等影响外，还与制造过程中加热温度、加热速度等工艺参数存在较大关系，加工过程中主要工艺参数的选择与合理控制是感应加热弯管技术的关键。
在对弯管进行感应加热时，由于弯管内外曲率不同，而所使用的感应线圈是圆形，故内侧离感应线圈较外侧更近，会导致内侧温度偏高，如图1所示。如果温度加热不均匀，在变形过程中外壁容易撕裂，内壁容易出现褶皱。因此需要对加热速率慢的部分设置导磁体，导磁体具有汇聚磁力线，提高加热效率的作用。但导磁体的形状、大小、空间分布则需要分析验证。
因此需要对弯管做温度分析，而对弯管做温度分析基本上有两种方法：实验分析和数值分析。实验分析能准确反应实际情况，但其缺点也是十分明显，不仅耗费资金，操作复杂，还耗费人力，一般在产品投入使用前使用该方法做温度验证，在设计过程中并不适合。在实际设计过程中，使用最普遍的温度分析方法是数值分析方法，而在数值分析方法中，有限元法应用最为广泛，基于有限元理论的ANSYS可以完成弯管的温度分析计算。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种可以对大口径弯管感应加热过程仿真、导磁体模型可以根据实际需要进行改变的一种大口径弯管加热导磁体优化方法。
为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：
一种大口径弯管加热导磁体优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：根据大口径弯管感应加热过程所需工件、设备，建立初始几何模型，包括大口径弯管、感应线圈、导磁体模型，为大口径弯管、感应线圈赋予材料参数并划分网格；
步骤S2：分割所述导磁体模型，通过旋转工作平面，并以工作平面为分割平面，将所述导磁体模型等分为36份；
步骤S3：为分割后的导磁体模型通过使用NUMCMP和NUMSTR命令压缩编号和重新为分割后的导磁体模型编写体编号，其中，所述NUMCMP命令为压缩编号命令，所述NUMSTR命令为设定初始编号命令，分割后的导磁体模型编号分布为1至36的方式进行重新编号；
步骤S4：为导磁体模型赋予材料参数，选定需要赋予导磁体材料参数的编号，为其赋予导磁体材料参数，其余部分赋予空气材料参数，为所述导磁体模型划分网格；
步骤S5：施加边界条件以及相应载荷，进行感应加热分析；
步骤S6：获取大口径弯管感应加热部位温度分布云图，查找大口径弯管温度分布不均匀的地方；
步骤S7：清除所有载荷，清除导磁体模型网格，重新为所需导磁体部位赋予导磁体材料参数，导磁体模型其余部分赋予空气材料参数，为整个导磁体模型划分网格；
步骤S8：重复上述步骤S5～步骤S7，直至大口径弯管加热部分温度分布均匀；
步骤S9：最终温度均匀时对导磁体模型中赋予导磁体属性的部分即为所需的导磁体优化结果。
上述技术方案中，所述步骤S2中的将导磁体模型等分为36份具体为建立整体导磁体模型，通过使用WPRO命令旋转工作平面，每次旋转度数为10°，然后以工作平面为基准，使用VSBW命令将导磁体模型分割，其中，所述WPRO命令为旋转工作平面命令，所述VSBW命令为体切割命令。
上述技术方案中，所述步骤S4中通过*DO、*ENDDO循环命令和VATT材料赋予命令完成，以循环的方式为所述导磁体模型赋予导磁体材料参数和空气材料参数，其中，所述*DO为循环开始命令，所述*ENDDO为循环结束命令，所述VATT命令为体赋予材料参数命令。
上述技术方案中，所述步骤S5中的感应加热分析分别对弯管进行电磁分析和热分析，得到电磁分析结果和热分析结果，并通过*DO和*ENDDO循环命令将这两分析结果耦合，得到感应加热温度分析结果。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明通过建立和分割导磁体模型的方式，不再多次重复导磁体建模过程，实现一种动态变化，通过一次建立导磁体模型，将其分区域，精细化，可根据需要为所需导磁体部位赋予导磁体材料参数，其余部分赋予空气材料参数，解决了模拟过程中多次重复建立导磁体建模费时费力的问题；本发明应用ANSYS-APDL汇编语言编写程序，对于多种导磁体设计方案，可通过仅修改命令流程序实现不同导磁体分布方案，实现一种动态分布计算，解决了每次计算重新建模静态分布计算的问题，多次模拟时可以通过修改程序参数反复分析不同载荷大小等多种设计方案，极大的提高了分析效率；本发明所提供的方法整个仿真过程以ANSYS软件为平台，模拟过程自动化运行，操作简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明的一个弯管未加导磁体时的温度分布模拟图；
图2是本发明的大口径弯管感应加热导磁体优化流程图；
图3是本发明的感应线圈和导磁体截面图；
图4是本发明的导磁体模型分割后的示意图；
图5是本发明的一个所选实例有限元模型网格划分图；
图6是本发明的一个所选实例某过程感应加热温度分布模拟图；
图7是本发明的一个所选实例某另一过程感应加热温度分布模拟图；
图8是本发明的一个所选实例的最终感应加热温度分布模拟图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明的一种大口径弯管加热导磁体优化方法，包括如下步骤：
步骤S1：根据大口径弯管感应加热过程所需工件、设备，建立初始几何模型，包括大口径弯管、感应线圈、导磁体模型，为大口径弯管、感应线圈赋予材料参数并划分网格；
其中需要指出的是，导磁体模型仅指3维建模，并不是实际的导磁体分布，实际导磁体分布仅为所述导磁体模型中赋予导磁体材料参数的部分。
步骤S2：分割所述导磁体模型，通过旋转工作平面，并以工作平面为分割平面，将所述导磁体模型等分为36份；
具体地，将导磁体模型等分为36份具体为建立整体导磁体模型，通过使用WPRO命令旋转工作平面，每次旋转度数为10°，然后以工作平面为基准，使用VSBW命令将导磁体模型分割，其中，所述WPRO命令为旋转工作平面命令，所述VSBW命令为体切割命令。
步骤S3：为分割后的导磁体模型通过使用NUMCMP和NUMSTR命令压缩编号和重新为分割后的导磁体模型编写体编号，其中，所述NUMCMP命令为压缩编号命令，所述NUMSTR命令为设定初始编号命令，分割后的导磁体模型编号分布为1至36的方式进行重新编号；
步骤S4：为导磁体模型赋予材料参数，选定需要赋予导磁体材料参数的编号，为其赋予导磁体材料参数，其余部分赋予空气材料参数，为所述导磁体模型划分网格；
具体地，通过*DO、*ENDDO循环命令和VATT材料赋予命令完成，以循环的方式为所述导磁体模型赋予导磁体材料参数和空气材料参数，其中，所述*DO为循环开始命令，所述*ENDDO为循环结束命令，所述VATT命令为体赋予材料参数命令。
步骤S5：施加边界条件以及相应载荷，进行感应加热分析；
其中，感应加热分析分别对弯管进行电磁分析和热分析，得到电磁分析结果和热分析结果，并通过*DO和*ENDDO循环命令将这两分析结果耦合，得到感应加热温度分析结果。
步骤S6：获取大口径弯管感应加热部位温度分布云图，查找大口径弯管温度分布不均匀的地方；
步骤S7：清除所有载荷，清除导磁体模型网格，重新为所需导磁体部位赋予导磁体材料参数，导磁体模型其余部分赋予空气材料参数，为整个导磁体模型划分网格；
步骤S8：重复上述步骤S5～步骤S7，直至大口径弯管加热部分温度分布均匀；
步骤S9：最终温度均匀时对导磁体模型中赋予导磁体属性的部分即为所需的导磁体优化结果。
本发明针对大口径弯管感应加热导磁体优化过程进行仿真模拟，本发明的流程图如图2所示，本发明的目的是提供可以对大口径弯管感应加热过程仿真，导磁体模型可以根据实际需要进行改变的一种基于ANSYS-APDL的大口径弯管感应加热导磁体优化方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤S1、本实例中选取的大口径弯管模型规格为Φ1020×16mm，导磁体形状如图3所示，其他导磁体形状也可按照此方法模拟优化，根据大口径弯管感应加热过程所需工件、设备，建立初始几何模型，包括大口径弯管、感应线圈、导磁体模型，为大口径弯管、感应线圈赋予材料参数并划分网格；
步骤S2、分割导磁体模型，在建立整体导磁体模型后，通过使用WPRO命令旋转工作平面，使工作平面的x轴与导磁体模型的径向重合，工作平面的y轴与导磁体模型的轴向重合，然后依次将工作平面沿工作平面的y轴旋转10°，每次旋转后都以工作平面为基准，使用VSBW命令将导磁体模型分割，一共切割18次，总共将导磁体模型等分为36份，其中，所述WPRO命令为旋转工作平面命令，所述VSBW命令为体切割命令；
步骤S3、为分割后的导磁体模型重新编号，由于ANSYS中使用分割命令后，分割出的新的体将会占用新的体编号，并不会继承原先的体编号，这会为后面的程序命令流编写带来困难，因此需要通过使用NUMCMP和NUMSTR命令压缩编号和重新为分割后的导磁体模型编写体编号，编号分布为1至36，如图4所示,其中，所述NUMCMP命令为压缩编号命令，所述NUMSTR命令为设定初始编号命令；
步骤S4、为导磁体模型赋予材料参数，选定需要赋予导磁体材料参数的编号，为其赋予导磁体材料参数，其余部分赋予空气材料参数，赋予材料参数的具体方式是通过*DO、*ENDDO循环命令和VATT材料赋予命令完成，其中，所述*DO为循环开始命令，所述*ENDDO为循环结束命令，所述VATT命令为体赋予材料参数命令，最后为整个导磁体模型划分网格，为大口径弯管、感应线圈和导磁体模型划分的有限元网格划分图如图5所示；
步骤S5、施加边界条件以及相应载荷，进行感应加热分析，即分别对弯管进行电磁分析和热分析，得到电磁分析结果和热分析结果，并通过*DO和*ENDDO循环命令将两分析结果耦合，得到感应加热温度分析结果；
步骤S6、获取大口径弯管感应加热部位温度分布云图，如图6、图7所示，查找大口径弯管温度分布不均匀的地方，并依照温度不均匀的地方查找与之对应的导磁体模型编号，并调整其导磁体材料参数；
步骤S7、清除所有载荷，清除导磁体模型网格，ANSYS中通过划分网格的形式赋予材料参数，因此为导磁体模型重新赋予材料参数时，需要清除导磁体模型的网格，然后重新为所需导磁体部位赋予导磁体材料参数，导磁体模型其余部分赋予空气材料参数，并为整个导磁体模型划分网格；
步骤S8、重复上述步骤S5～步骤S7，直至大口径弯管加热部分温度分布均匀。
步骤S9、最终温度均匀时对导磁体模型中赋予导磁体属性的部分即为所需的导磁体优化结果。
通过本发明方法，根据上述步骤，所选用的实例模型的温度分布云图如图8所示，可根据仿真情况，对参数进行修改优化进一步模拟分析，提高模拟效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种大口径弯管加热导磁体优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：根据大口径弯管感应加热过程所需工件、设备，建立初始几何模型，包括大口径弯管、感应线圈、导磁体模型，为大口径弯管、感应线圈赋予材料参数并划分网格；
步骤S2：分割所述导磁体模型，通过旋转工作平面，并以工作平面为分割平面，所述导磁体模型形状为截面为凹型的环形，以所述导磁体模型圆心为中心，以旋转切割角度为10°，将所述导磁体模型等分为36份；
步骤S3：为分割后的导磁体模型通过使用NUMCMP和NUMSTR命令压缩编号和重新为分割后的导磁体模型编写体编号，其中，所述NUMCMP命令为压缩编号命令，所述NUMSTR命令为设定初始编号命令，分割后的导磁体模型编号分布为1至36的方式进行重新编号；
步骤S4：为导磁体模型赋予材料参数，选定需要赋予导磁体材料参数的编号，为其赋予导磁体材料参数，其余部分赋予空气材料参数，为所述导磁体模型划分网格；
步骤S5：施加边界条件以及相应载荷，进行感应加热分析；
步骤S6：获取大口径弯管感应加热部位温度分布云图，查找大口径弯管温度分布不均匀的地方；
步骤S7：清除所有载荷，清除导磁体模型网格，重新为所需导磁体部位赋予导磁体材料参数，导磁体模型其余部分赋予空气材料参数，为整个导磁体模型划分网格；
步骤S8：重复上述步骤S5～步骤S7，直至大口径弯管加热部分温度分布均匀；
步骤S9：最终温度均匀时对导磁体模型中赋予导磁体属性的部分即为所需的导磁体优化结果。
2.根据权利要求1所述的一种大口径弯管加热导磁体优化方法，其特征在于，所述步骤S2中的将导磁体模型等分为36份具体为建立整体导磁体模型，通过使用WPRO命令旋转工作平面，每次旋转度数为10°，然后以工作平面为基准，使用VSBW命令将导磁体模型分割，所述WPRO命令为旋转工作平面命令，所述VSBW命令为体切割命令。
3.根据权利要求1所述的一种大口径弯管加热导磁体优化方法，其特征在于，所述步骤S4中为导磁体模型赋予材料参数通过*DO、*ENDDO循环命令和VATT材料赋予命令完成，以循环的方式为所述导磁体模型赋予导磁体材料参数和空气材料参数，其中，所述*DO为循环开始命令，所述*ENDDO为循环结束命令，所述VATT命令为体赋予材料参数命令。
4.根据权利要求3所述的一种大口径弯管加热导磁体优化方法，其特征在于，所述步骤S5中的感应加热分析分别对弯管进行电磁分析和热分析，得到电磁分析结果和热分析结果，并通过*DO和*ENDDO循环命令将这两分析结果耦合，得到感应加热温度分析结果。
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