CN114117869A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明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‑磁‑热‑运动多场耦合模型，通过等效代替的方法，将连续加热过程离散化，合理调节中高频单次加热时间步长，并将单次中高频加热结果进行叠加，等效单个时间段内连续加热过程，再通过读取循环程序宏文件，使工件转动一定角度，同时，在下一次中高频迭代过程中承接上一步叠加后的温度结果，将单个计算过程串联，提高有限元仿真精确性，更加贴近于现实，对实际生产具有指导意义。

Description

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

技术领域

本发明涉及工件热处理技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

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。

本发明采用的技术手段如下：

本发明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：

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。

进一步地，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。

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。

进一步地，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；

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；

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；

求解第二频率加热温度场包括：

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；

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；

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。

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。

进一步地，所述工件为滚珠丝杠。

进一步地，所述第一频率为中频；所述第二频率为高频。

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。

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。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明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。

2.本发明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

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中感应加热过程的数值模拟方法流程图；

图2为本发明实施例中三维模型示意图；

图3为本发明实施例中感应线圈结构置示意图；

图4为本发明实施例中数值模拟仿真整体结果温度分布图；

图5为本发明实施例中数值模拟仿真结果剖视温度分布图；

图6为本发明实施例中数值模拟仿真结果温度取点图；

图7为本发明实施例中数值模拟仿真中中高频单次加热时间改变时，加热时间与温度差的变化关系图；

图8为本发明实施例中数值模拟仿真中中高频线圈转速改变时，转速与温度差之间的变化关系图；

图中：1、滚珠丝杠；2、中频感应线圈；3、高频感应线圈。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

随着计算机行业的迅速发展，有限元分析软件得以在工业生产中进行应用，工件在运动状态下的多频感应加热涉及到电-磁-热-运动多耦合场，采用传统的工艺研发会花费更多的时间和成本，因此采用有限元分析软件进行辅助实验分析，本发明实施例中工件在运动状态下的多频感应加热处理的有限元模拟方法基于ANSYS软件进行。首先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；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。

为了便于理解，下面以滚珠丝杠为例，对本发明提供的工件运动状态下多频感应加热的有限元模拟方法进行详细说明。

如图1所示，其示出了本发明实施例中一种工件运动状态下多频感应加热的有限元模拟方法的流程图，工件具体为滚珠丝杠，滚珠丝杠是一种将旋转运动与直线运动相互转化的功能部件，具有传动平稳、定位精确、传动效率高等特点，因其复杂的工作服役环境，通常需要承受弯曲、冲击和扭转，同时在丝杠和滚珠之间接触部位还要承受较强的摩擦作用，因此要求滚珠丝杠的滚道部分需要具备较高的硬度和耐磨性，心部保持一定的韧性，从而保证滚珠丝杠的综合力学性能。该方法具体包括以下步骤：

S1、设定循环程序中所用参数值：设定中高频线圈单次转动角度H和中高频单次加热的时间步长m，并设定初始值i＝0，j＝1，k＝2；

在进行了一次中高频加热计算后，线圈会转动角度H，再进行下一轮的加热计算，以此来等效实际加热时两线圈同时通入中高频电源，进行快速中高频的迭代。

图7为m与加热效果的关系，理论上m越小越好，越接近于实际加热状态，精确性越高，但是计算机的计算能力有限，只能在有限的计算能力下寻找m的最优值。

S2、创建几何模型：根据滚珠丝杠和实际中高频线圈尺寸建立滚珠丝杠和中高频感应线圈模型，其中中高频感应线圈对称分布在滚珠丝杠周侧，

如图2和图3所示，中高频感应线圈(2、3)形状和尺寸相同，为弓字型结构环绕在滚珠丝杠1周侧，实际加热时通过滚珠丝杠1绕自身轴向转动来进行中高频的迭代，本实施例所用为中高频感应线圈(2、3)对称分布且滚珠丝杠1转速不变，理论上中高频迭代越快，越接近于同步加热，加热效果越好，所以在进行实际工艺研发时，可分析优化不同转速、不同中高和不同中高频线圈对数对加热效果的影响，此外加热过程中空间磁场分布和不同中高频加热时间对加热效果影响显著，而不同中高频线圈弧度比影响着加热过程中空间磁场分布和相同转速下中高频加热时间的比，所以分析不同中高频感应线圈弧度比对加热效果的影响也是很有必要，本实施例中所用滚珠丝杠1直径φ80，长度110mm,导程15mm，为了建模和仿真计算方便，取滚珠丝杠1直径整数为8mm。

S3、建立局部坐标系：以滚珠丝杠1底面圆心为原点，滚珠丝杠1轴线为Z轴建立圆柱坐标系，使中高频感应线圈同时绕Z轴顺时针转动角度β＝i×H；

S4、建立空气模型：建立空气域模型，通过对滚珠丝杠1周围空气建模，来模拟实际感应加热过程感应线圈磁场发散到周围空气中，并对滚珠丝杠1和中高频感应线圈2、3进行网格划分；

S5、判断是否j<k，成立，则进入S6，否则，进入S10；

S6、判断是否i＝0，成立，则进入S7，否则，进入S8；

S7、建立中频电磁场与温度场求解环境，以t＝25℃为初始条件，读取中频电磁场和温度场物理环境，求解中频加热温度场并保存结果，中频加热时间步长为m；

在使用限元软件分析计算时，运用等效代替的方法，将连续加热过程离散化，通过合理调节中高频单次加热时间步长m，并将单次中高频加热结果进行叠加，等效单个时间段内连续加热过程，再通过读取循环程序宏文件，使工件转动一定角度，同时，下一次单次中高频迭代过程中承接上一步叠加后的温度结果，将单次时间段的等效计算串联起来，形成完整的计算过程。

S8、建立中频电磁场与温度场求解环境，以第i次叠加后的温度场为初始条件，读取中频电磁场和温度场物理环境，求解中频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；

求解环境分为电磁场和温度场的物理环境，其中包括建立空气模型，设定边界条件，设定工件、线圈和空气介质材料的物性参数，在进行热分析时利用差值的计算方式实时更新各材料的物性参数，施加初始载荷，先进行电磁分析，将电磁分析得到的结果热流密度作为初始条件施加到热环境中进行热分析得到温度场结果，但是实际上电磁-热耦合分析是一个连续循环不断且相互影响的一个过程，只是在有限元计算时无法做到现实中完全的相互关联并且循环不断的过程，只能通过算法将电磁-热单方向的连接起来，再通过将电磁-热的计算过程细化为很短的过程，来等效代替这个复杂的过程。

S9、判断是否完成时间子步循环，若成立，令j＝j+2后进入步骤14，否则，读取上一子步温度场温度结果为初始施加条件，求解中频加热温度场并保存结果；

在进行有限元计算时将单次加热时间分为多个小的时间段来进行分析计算，可以提高有限元的计算精度，同时由于计算机的计算速度有限，不能分步过多，否则会增加计算时间，降低工作效率，所以应该合理的将大的单次加热时间分为多个小的时间段来进行分析计算，这些小的时间段被称为时间子步。

当达到设定的时间步长时，则认为完成了时间子步循环，在有限元分析计算时通过命令流设置时间步长和时间子步的时间(时间子步应小于等于时间步长)，计算机会自动将时间步长分为小的时间子步，当时间子步时间累计达到时间步长时间时计算机会自动进行下一步骤的计算。

S10、判断是否i＝0，成立，则进入S11，否则，进入S12；

S11、建立高频电磁场与温度场求解环境，以t＝25℃为初始条件，读取高频电磁场和温度场物理环境，求解高频加热温度场并保存结果，中频加热时间步长为m；

S12、建立高频电磁场与温度场求解环境，以第i次叠加后的温度场为初始条件，读取高频电磁场和温度场物理环境，求解高频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；

S13、判断是否完成时间子步循环，若成立，令k＝k+2、i＝i+1后进入步骤14，否则，读取上一子步温度场温度结果为初始施加条件，求解高频加热温度场并保存结果；

S14、判断是否j<k，若成立，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，并执行步骤S15，否则，读取循环程序宏文件，进入步骤2；

S15、判断是否达到预定加热时间，若成立，加热结束，否则，读取循环程序宏文件，进入步骤2。

如图4和5所示，滚珠丝杠表面温度一致，均超过900℃，且形成一定厚度的仿滚珠丝杠滚道温度场，满足齿条热处理要求，说明本发明提出的数值仿真方法理论的正确性以及结果可靠性。

如图6所示，其示出了本发明实施例中仿真结果温度取点图，由于滚珠丝杆剖面结构具有周期性，在滚珠丝杆上取点ABCDEF可看做为一个周期，提取温度数据，并分析该区域内的最大温差，以温度差的大小来评价加热质量的优劣。

如图7所示，为在改变中高频单次加热时间时，对加热过程进行模拟的结果温度曲线图，模拟得到在在改变中高频单次加热时间的条件下，加热时间和温度差的关系曲线图，从图7可以发现，加热时间单一变化时，随着单次加热时间的增加，温度差呈现上升趋势，并且在加热时间增加的初始段和末尾段温度差增加趋势较为平缓，在加热时间增加的中间段温度差增加趋势较为剧烈，整个曲线呈现出S型，这是因为在中高频单次加热时间的增加的初始阶段，单次加热时间还较小，高频加热时另一边还来不及降温，对结果影响较小，而在单次加热时间过大时温差变大，是因为单次加热时间过长，另一未加热边处未空冷状态，降温比较明显，导致计算结果不准确，但是总体趋势来看，单次加热时间越短，单个周期内温度差越小，计算结果越精确，表明本发明的数值仿真方法的正确性和可靠性。

如图8所示，为在改变中高频加热线圈转速时，对加热过程进行模拟的结果温度曲线图，模拟得到在在改变中高频加热线圈转速的条件下，线圈转速和温度差的关系曲线图，从图8可以发现，线圈转速单一变化时，随着转速的增加，温度差呈现下降趋势，并且随着转速的增加温度差下降趋势变得平缓，当转速增加到一定值时，转速对温度差的影响几乎可以忽略不计，这是因为在增加线圈转速时，减小了中高频迭代之间的时间间隔，加速了滚珠丝杆加热过程中的中高频迭代过程，中高频迭代越快对加热效果越有利，越能体现出双频加热相对于单频加热的优越性，表明本发明的加热方法的正确性和可靠性。

本发明实施例中，考虑到传统异步双频加热仿真忽略线圈运动因素和更换线圈时间间隔的问题，进一步导致感应加热后工件表面温度场分布不均匀，采用有限元仿真中等效代替和转动线圈加速中高频迭代的方法；建立了滚珠丝杠双频加热过程的电-磁－热－运动多场耦合模型，相较于传统单频和异步双频加热仿真而言，结果更加准确可靠，对实际生产具有指导意义。

上述实施例中基于滚珠丝杠进行仿真分析，然而本领域的技术人员通过整个技术方案的实施过程可以理解出，本发明的方法不仅仅适用于滚珠丝杠，也适用于任何需要热处理的工件。而且，上述实施例中基于双频(中频和高频)同时感应淬火进行仿真分析，可以理解的是，本发明的方法不仅仅适用于双频感应淬火，也能适用于超过两种频率的多频同时感应淬火的仿真分析。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

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；

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；

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；

求解第二频率加热温度场包括：

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；

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；

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。

5.根据权利要求2或3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，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。

6.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，所述工件为滚珠丝杠。

7.根据权利要求6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，所述第一频率为中频；所述第二频率为高频。

8.根据权利要求7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，中高频感应线圈为弓字型结构环绕在滚珠丝杠周侧。

9.根据权利要求8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，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。

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