[发明专利]钢板电磁感应加热过程温度场的预测方法

说明书

本发明公开了一种钢板电磁感应加热过程温度场的预测方法，包括如下步骤：采集钢板感应加热过程数据、计算集肤深度、计算加热过程换热系数、获取感应加热内热源模型、利用有限元基本原理，计算四边形等参单元的形函数N、B矩阵和雅克比矩阵、采用一维变带宽存储法求解线性方程组获得钢板电磁感应加热过程瞬态温度场。本发明在提高计算效率的情况下，将内热源模型带入瞬态温度场求解线性方程组，实现了电磁感应加热过程瞬态温度场求解。本发明适用于有限元法求解钢板电磁感应加热过程温度场。

技术领域

本发明属于温度场预测领域，特别涉及一种钢板电磁感应加热过程温度场的预测方法。

背景技术

电磁感应加热是指将块状金属置于交变磁场中，或在非均匀的磁场中运动,则在金属内会产生感应电动势，由于金属电阻很小，所以引起强大感应电流即涡流，涡流产生要消耗能量，这部分能量转化为热能，使得金属升温。

电磁感应加热技术相比其它热加工工艺具有加热速度快、可控性好、低能耗等优点广泛应用于钢板加热和淬火热处理。感应加热过程温度场分布计算对钢板组织演变和力学性能有重要影响。电磁感应加热是电磁能量转化，一直没有确切的数学模型预测瞬态过程温度，所以经常采用现场测试进行确定，现场测试的温度需要逐一测试，耗费较多人力，增加了成本，精度也较低。

现有的由于受实际条件和主观因素，极大限制了感应加热过程温度预测精度和温度分布信息。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提出一种新的基于内热源模型预测瞬态温度场的有限元方法，其目的是预测钢板感应加热过程瞬态温度场。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种钢板电磁感应加热过程温度场的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：采集钢板感应加热过程数据

采集的数据包括：感应加热参数，材料热物性参数，材料电磁性能参数，单元划分信息；

感应加热参数包括：工作频率，电流密度，线圈与钢板表面距离，加热时间，工件宽度，工件厚度，工件初始温度，环境温度；

材料热物性参数包括：热传导系数，黑度，比热，密度；

材料电磁性能参数包括：空气磁导率，真空磁导率，材料相对磁导率，材料电阻率，材料电导率；

单元划分信息包括：宽度单元数和厚度单元数；

步骤二：计算集肤深度δ

根据钢板电磁性能参数计算集肤深度：

其中，ρ为电阻率，μ₀为真空磁导率，单位亨利/米，μ_r为相对磁导率，单位亨利/米，f为工作频率，单位Hz；

依据单元划分数据、钢板宽度和厚度尺寸及集肤深度对钢板横端面进行网格划分，靠近网格模型边界的3层网格长度L要小于等于集肤深度，L≤δ；集肤深度单位m；

步骤三：计算加热过程辐射系数h

钢板在感应加热过程中，辐射系数表述为：

h＝σ·ε·(T_b+T_air)(T_b²+T_air²) (2)