CN112153768B - 一种碳纤维增强复合材料热固化成型的电磁感应加热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种碳纤维增强复合材料热固化成型的电磁感应加热方法，所述方法包括以下步骤：(1)进行电磁感应加热技术优化，将软磁可塑复合材料与可高温应用的升级感应利兹线组合建立可加热大型平面和曲面结构的高效电磁感应加热器，利用已提取出合适工作点和实现电流解耦的行波感应加热技术设计电磁感应均匀加热模式；(2)针对上述两相行波感应加热模式利用于两个相同的变频器和CompactRIO系统设计能够对电磁感应加热系统电磁行为进行精准控制的闭环电力电子控制系统；(3)通过Finite Element Method Magnetics程序分析得出电磁感应加热系统参数调整依据，引入数据同化方法获取工件内部状态信息，电力电子控制系统根据反馈信息完成对电磁感应加热系统加热过程的控制、修正。

Description

一种碳纤维增强复合材料热固化成型的电磁感应加热方法
技术领域
本发明涉及复合材料热固化成型领域，具体涉及一种碳纤维增强复合材料热固化成型的电磁感应加热方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料制品具有轻质、高强、导电、导热、耐腐蚀、耐高温等优点，广泛应用在交通、建筑、石化、能源、电子、农林等国民经济建设和社会生活领域，在兵器、舰船、航空、航天等领域也已成为国防科技和武器装备发展的重要基础材料和技术基础。复合材料制品是结构性能与工艺过程一体化的产品，其成型工艺过程直接决定了结构性能和最终成本，因此复合材料制品成型工艺研究得到了广泛关注，而热固化成型工艺作为成型工艺中的核心研究内容近年来更是被越来越多的学者所重视。
电磁感应加热是一种通过交变磁场使被加热工件表面和内部同时产生涡流而发热的非接触式加热方式，可用于所有导电材料的快速直接加热。相较于传统加热方式，电磁感应加热方式具备了现代工业生产所需的大部分特性，即灵活性高、加热速度快、无污染、高效节能、成本低以及潜在的加热效率、节能等特性优化空间。因此，将电磁感应加热技术应用到碳纤维增强复合材料热固化成型，可以达到加热速度快、成型时间短、高效节能的结果。尽管具有诸多优势，但该热技术往往受到加热结构、加热均匀性的限制，使得其在热固化成型工艺应用中存在诸多需要解决的难题。开发闭环、实时的热固化成型加热控制系统迫在眉睫。
碳纤维增强复合材料制品的应用范围极广，采用先进的热固化成型加热技术和工艺优化方法进行高质量、低成本复合材料制品的高效制造具有非常重大的现实意义。此研究领域不仅有大量尚待解决的问题，更是切实符合国家近年来提出的“推动基础科技研究以及科研转化的发展方针”。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有电磁感应加热技术难以加热大的平面和曲面结构、热量分布不均匀、加热效率低的问题，提出一种碳纤维增强复合材料热固化成型的电磁感应加热方法，提高碳纤维增强复合材料的热固化成型的品质与效率。
本发明的技术解决方案是：一种碳纤维增强复合材料热固化成型的电磁感应加热方法，步骤如下：
(1)进行电磁感应加热技术优化，将软磁可塑复合材料与可高温应用的升级感应利兹线组合建立可加热大型平面和曲面结构的高效电磁感应加热器，利用已提取出合适工作点和实现电流解耦的行波感应加热技术设计电磁感应均匀加热模式；
(2)针对上述行波感应加热模式利用于两个相同的变频器和CompactRIO系统设计能够对电磁感应加热系统电磁行为进行精准控制的闭环电力电子控制系统；
(3)通过Finite Element Method Magnetics程序分析得出电磁感应加热系统参数调整依据，引入数据同化方法以获取工件内部状态信息，电力电子控制系统根据上述反馈信息完成对电磁感应加热系统加热过程的控制、修正，实现对电磁感应加热固化成型工艺的优化。
进一步地，所述步骤(1)中电磁感应加热技术优化步骤为：
a.利用感应利兹线电流均匀分布，有效横截面积比固体导线或普通绞合导线大的特点以及软磁可塑复合材料不受尺寸和几何限制的特性，将二者结合构建以软磁可塑复合材料为铁芯、感应利兹线为通电线圈的可面向大型平面和曲面应用的高效电磁感应加热器框架，同时通过增加横向导热系数和建立集成冷却通道升级其中的感应利兹线，实现该加热器的高温应用；
b.获得合适的工作点并实现电流解耦。通过分析电压占空比、频率和找寻属性之间的关系以及电流振幅和相移之间的关系提取出两相加热器合适工作点，即两个大小相等、相移为度的电流，并在此基础上，实现一种无正反馈风险的电流自动控制方案。利用反串联或反并联两个相同且独立行波电感器的方式，通过保持工作过程近似实现电流解耦；
c.利用已提取出合适工作点和实现电流解耦的行波感应加热技术和多线圈方法加热均匀的优点、行波感应模式能够使交变磁场沿工件快速扩散的特性以及两相系统结构简单、可以实现两相之间完全对称的特点，设计基于多线圈的两相行波感应加热(Travelling-wave induction heating,TWIH)模式，避免产生电磁场为零的区域，实现均匀加热；
进一步地，所述步骤(2)中基于CompactRIO的闭环电力电子控制系统控制方法为：
a.根据采用的两相行波感应加热模式，围绕两个相同的、可进行独立通道扩展的变频器(VFD)构建电力电子控制系统；
b.利用CompactRIO系统具备并行处理数据能力和可采用LabVIEW图形化开发工具对其进行编程的优点，设计通过CompactRIO系统和数据采集卡与控制信号和传感器连接的交互模式，并基于计算机实现对系统各个部分的监控和调节；
c.利用差分探头和闭环电流传感器测量系统电压和电流，并依此计算有功功率；
Figure BDA0002718914480000021
d.利用热像仪测量工件的表面温度，为工件吸收功率的计算提供热像图温度分布数据；
进一步地，所述步骤(3)中电磁仿真进行参数调整和引入数据同化方法以获取工件内部状态信息，再由电力电子控制系统根据反馈信息完成对电磁感应加热系统加热过程的控制、修正方法为：
a.利用Finite Element Method Magnetics程序计算结果准确、方便与Matlab连接、能够很好表示利兹线的优点，基于该程序对两相行波电磁感应加热系统的电磁行为进行研究；
b.通过修改Matlab中有限元模型调整电流、电感器波长，分析电磁感应加热系统电流幅值、相位角与工件中功率密度的关系、电感器波长与加热模式的关系，进一步开发一个可以根据以前结果更新几何形状或其他参数的Matlab函数库，为已选定几何形状的电感器提供所需电磁行为信息，为热固化成型工艺优化提供参数调整依据。
c.利用有限元方法求解考虑内部固化反应热的碳纤维增强复合材料电磁感应加热固化成型模拟方程。将集合卡尔曼滤波方法作为数据同化状态估计工具，通过数值模拟对数据同化状态变量工件温度和导热系数进行更新，融合由热像仪测量的表面温度值对状态变量进行滤波，完成对工件温度分布和导热系数趋势的最优估计，并依据温度分布估计值计算工件吸收功率：
Figure BDA0002718914480000031
Figure BDA0002718914480000032
为热固化成型工艺优化提供所需工件内部状态信息；
d.将电感器电磁行为信息和工件吸收功率信息反馈到电力电子控制系统，控制系统根据反馈信息利用函数发生器生成相应控制指令对电磁感应加热器加热过程进行控制、修正，实现对电磁感应加热固化成型工艺的优化；
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明以面向碳纤维增强复合材料热固化成型的电磁感应加热方法为对象，提出对热固化成型过程选用可以扬长避短的多线圈电磁感应加热方法、基于闭环控制、电磁仿真、数据同化的工艺优化方法，从电磁感应加热器到热固化成型工艺优化逐一攻破技术关键难题，最后完成整个电磁感应加热系统设计。本发明摈除了现有的热固化成型加热系统控制结构比较简单无自动纠偏能力、缺乏实时性和存在控制滞后现象的缺点，针对现有电磁感应加热技术难以加热大的平面和曲面结构、热量分布不均匀、加热效率低的问题，提出了解决方案。
附图说明
图1为本发明的技术路线示意图。
具体实施方式
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，显而易见，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种碳纤维增强复合材料热固化成型的电磁感应加热方法，包括以下步骤：
(1)进行电磁感应加热技术优化，将软磁可塑复合材料与可高温应用的升级感应利兹线组合建立可加热大型平面和曲面结构的高效电磁感应加热器，利用已提取出合适工作点和实现电流解耦的行波感应加热技术设计电磁感应均匀加热模式；
(2)针对上述行波感应加热模式利用于两个相同的变频器和CompactRIO系统设计能够对电磁感应加热系统电磁行为进行精准控制的闭环电力电子控制系统；
(3)通过Finite Element Method Magnetics程序分析得出电磁感应加热系统参数调整依据，引入数据同化方法以获取工件内部状态信息，电力电子控制系统根据上述反馈信息完成对电磁感应加热系统加热过程的控制、修正，实现对电磁感应加热固化成型工艺的优化。
(3)利用Finite Element Method Magnetics程序分析电感器电流幅值、相位角与工件中功率密度的关系、电感器波长与加热模式的关系，为热固化成型工艺优化提供参数调整依据；电力电子控制系统根据上述反馈信息对电磁感应加热器加热过程进行控制、修正，实现对电磁感应加热固化成型工艺的优化。
基于以上实施方式，在上述步骤(1)中电磁感应加热技术优化步骤为：
a.对于现有电磁感应加热技术难以加热大的平面和曲面结构、热量分布不均匀、加热效率低的问题，利用感应利兹线电流均匀分布，有效横截面积比固体导线或普通绞合导线大的特点以及软磁可塑复合材料不受尺寸和几何限制的特性，将二者结合构建以软磁可塑复合材料为铁芯、感应利兹线为通电线圈的可面向大型平面和曲面应用的高效电磁感应加热器框架，同时通过增加横向导热系数和建立集成冷却通道升级其中的感应利兹线，实现该加热器的高温应用；
b.由于加热系统的动力学特性与工作点密切相关，而且存在互耦现象，为了获得期望的输出功率模式，加热模式必须具有合适的工作点并实现电流解耦。通过分析电压占空比、频率和找寻属性之间的关系以及电流振幅和相移之间的关系提取出两相加热器合适工作点，即两个大小相等、相移为度的电流，并在此基础上，实现一种无正反馈风险的电流自动控制方案。利用反串联或反并联两个相同且独立行波电感器的方式，通过保持工作过程近似实现电流解耦；
c.在提取出两相加热器合适工作点、实现电流解耦的基础上，利用多线圈方法加热均匀的优点、行波感应模式能够使交变磁场沿工件快速扩散的特性以及两相系统结构简单、可以实现两相之间完全对称的特点，设计基于多线圈的两相行波感应加热(Travelling-wave induction heating,TWIH)模式，避免产生电磁场为零的区域，实现均匀加热；
在上述步骤(2)中基于CompactRIO的闭环电力电子控制系统控制方法为：
a.在通过计算机对整个系统各个部分进行监控和调节的基础上，根据采用的两相行波感应加热模式，围绕两个相同的、可进行独立通道扩展的变频器(VFD)构建电力电子控制系统；
b.利用CompactRIO系统具备并行处理数据能力和可采用LabVIEW图形化开发工具对其进行编程的优点，设计通过CompactRIO系统和数据采集卡与控制信号和传感器连接的交互模式，并基于计算机实现对系统各个部分的监控和调节；
c.利用差分探头、闭环电流传感器、热像仪对系统电压、电流、工件表面温度分布进行有效测量，为控制系统提供有效的状态反馈量，并依此计算有功功率；
Figure BDA0002718914480000051
d.利用热像仪测量工件的表面温度，为工件吸收功率的计算提供热像图温度分布数据；
在上述步骤(3)中电磁仿真进行参数调整和引入数据同化方法以获取工件内部状态信息，再由电力电子控制系统根据反馈信息完成对电磁感应加热系统加热过程的控制、修正方法为：
a.利用Finite Element Method Magnetics程序计算结果准确、方便与Matlab连接、能够很好表示利兹线的优点，基于该程序对两相行波电磁感应加热系统的电磁行为进行研究；
b.通过修改Matlab中有限元模型调整电流、电感器波长，分析电磁感应加热系统电流幅值、相位角与工件中功率密度的关系、电感器波长与加热模式的关系，进一步开发一个可以根据以前结果更新几何形状或其他参数的Matlab函数库，为已选定几何形状的电感器提供所需电磁行为信息，为热固化成型工艺优化提供参数调整依据。
c.利用有限元方法求解考虑内部固化反应热的碳纤维增强复合材料电磁感应加热固化成型模拟方程。将集合卡尔曼滤波方法作为数据同化状态估计工具，通过数值模拟对数据同化状态变量工件温度和导热系数进行更新，融合由热像仪测量的表面温度值对状态变量进行滤波，完成对工件温度分布和导热系数趋势的最优估计，并依据温度分布估计值计算工件吸收功率：
Figure BDA0002718914480000061
Figure BDA0002718914480000062
为热固化成型工艺优化提供所需工件内部状态信息；
d.将电感器电磁行为信息和工件吸收功率信息反馈到电力电子控制系统，控制系统根据反馈信息利用函数发生器生成相应控制指令对电磁感应加热器加热过程进行控制、修正，实现对电磁感应加热固化成型工艺的优化；
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种碳纤维增强复合材料热固化成型的电磁感应加热方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)进行电磁感应加热技术优化，将软磁可塑复合材料与可高温应用的升级感应利兹线组合建立可加热大型平面和曲面结构的高效电磁感应加热器，利用已提取出合适工作点和实现电流解耦的行波感应加热技术设计电磁感应均匀加热模式；
2)针对上述电磁感应均匀加热模式利用于两个相同的变频器和CompactRIO系统设计能够对高效电磁感应加热器电磁行为进行精准控制的闭环实时电力电子控制系统；
其中，闭环实时电力电子控制系统控制方法为：
a.根据采用的电磁感应均匀加热模式，围绕两个相同的可进行独立通道扩展的变频器VFD构建闭环实时电力电子控制系统；
b.利用CompactRIO系统具备并行处理数据能力和可采用LabVIEW图形化开发工具对其进行编程的优点，设计通过CompactRIO系统和数据采集卡与控制信号和传感器连接的交互模式，并基于计算机实现对闭环实时电力电子控制系统各个部分的监控和调节；
c.利用差分探头和闭环电流传感器测量系统的电压和电流，并依此计算有功功率：
Figure 974574DEST_PATH_IMAGE001
；
d.利用热像仪测量工件的表面温度，为工件吸收功率的计算提供热像图温度分布数据；
3)通过Finite Element Method Magnetics程序分析得出高效电磁感应加热器参数调整依据，引入数据同化方法以获取工件内部状态信息，闭环实时电力电子控制系统根据反馈的电磁感应加热系统参数和工件内部状态信息，完成对高效电磁感应加热器加热过程的控制和修正，实现对碳纤维增强复合材料电磁感应加热固化成型工艺的优化；
其中，对高效电磁感应加热器加热过程的控制和修正的方法为：
a.利用Finite Element Method Magnetics程序计算结果准确、方便与Matlab连接、以及能够很好表示升级感应利兹线的优点，基于该程序对高效电磁感应加热器的电磁行为进行研究；
b.通过修改Matlab中有限元模型调整电流和电感器波长，分析高效电磁感应加热器电流幅值、相位角与工件中功率密度的关系、以及高效电磁感应加热器波长与电磁感应均匀加热模式的关系，进一步开发一个根据以前结果更新几何形状或其他参数的Matlab函数库，为已选定几何形状的高效电磁感应加热器提供所需电磁行为信息，为碳纤维增强复合材料电磁感应加热固化成型工艺优化提供参数调整依据；
c.利用有限元方法求解考虑内部固化反应热的碳纤维增强复合材料电磁感应加热固化成型工艺的模拟方程，将集合卡尔曼滤波方法作为数据同化方法状态估计工具，通过数值模拟对数据同化方法状态变量工件温度和导热系数进行更新，融合由热像仪测量的表面温度值对状态变量进行滤波，完成对工件温度分布和导热系数趋势的最优估计，并依据温度分布估计值计算工件吸收功率：
Figure 704632DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure 29303DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 288246DEST_PATH_IMAGE004
为碳纤维增强复合材料电磁感应加热固化成型工艺优化提供所需工件内部状态信息；
d.将高效电磁感应加热器电磁行为信息和工件吸收功率信息反馈到闭环实时电力电子控制系统，闭环实时电力电子控制系统根据反馈的信息利用函数发生器生成相应控制指令对高效电磁感应加热器加热过程进行控制和修正，实现对碳纤维增强复合材料电磁感应加热固化成型工艺的优化。
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