一种基于有限元仿真的超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈的设计方法技术

本发明专利技术提供一种基于有限元仿真的超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈的设计方法。根据超高强度钢光轴工件以及感应线圈形状几何模型，在网格划分和材料属性加载后，进行感应加热的有限元模拟，将模拟所得的结果和实验测量的结果进行比对，若两者能够很好的吻合，则进行下一步的超高强度钢螺纹类工件感应线圈的设计。从感应线圈的形状因素，位置因素和匝数进行优化设计，确保设计的感应线圈能够使超高强度钢螺纹类工件的螺纹部位在感应加热局部回火过程中得到均匀化的回火温度。将有限元引入超高强度钢螺纹件局部回火感应线圈设计中，不仅有助于实现螺纹件局部回火感应加热过程温度分布的可视化，优化设计进程，而且能够减少设计失误，节约设计成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈的设计方法，属于感应加热

技术介绍
超高强度钢因其高强度及优良的综合性能，在航空领域广泛应用，并且绝大多数用来制造飞机关键或重要部位的承力结构零件。但超高强度钢的缺口敏感系数高，使用超高强度钢制造的零件时，应尽可能地避免和消除缺口应力集中带来的不良影响和性能下降。对于超高强度钢制造的带螺纹零件，通常采用局部回火处理来降低应力集中系数，从而提高螺栓的疲劳强度和使用寿命。传统的局部回火工艺为铅浴回火，但铅浴回火工艺落后，毒性较大，不仅严重污染环境，还严重损害操作者健康，是国家明令限制使用和淘汰的落后工艺。感应加热与传统的加热方法相比，有加热速度快，加热效率高，绿色环保以及易于实现自动化等突出特点，因此在超高强度钢工件局部回火过程中，使用感应加热局部回火取代落后的铅浴回火工艺是十分必要的。然而，我国目前多数感应加热系统都未能摆脱粗放型的设计和运行状态，感应加热系统的设计主要以等效电路模型、经验公式和实验修正方法为基础，计算模型过于简化，只能粗略估算宏观电气参数；而且感应加热系统正式投产前，还需要根据工件的性能进行大量的试验调试工作，才能最终确定线圈的结构参数和电气参数，从而耗费大量的人力和物力，并且导致感应加热电源的设计周期长，效率低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，提出一种基于有限元仿真的超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈的设计方法根据本专利技术实施例的基于有限元仿真的超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈的设计方法，包括：步骤1：超高强度钢光轴工件感应加热过程的模拟仿真，包括以下步骤：步骤1.1：根据模型的轴对称性，取模型截面的二分之一进行几何建模，所述模型包括由工件、感应线圈和空气组成的系统，几何模型在有限元软件前处理器中创建或者从其它建模软件中读入；步骤1.2：赋予几何模型相应的单元属性和材料属性，定义20℃-800℃温度范围内所述工件的密度，比热容，焓值，热导率，电阻率以及相对磁导率，所述感应线圈的电阻率和相对磁导率，空气的相对磁导率；步骤1.3：对建立的几何模型进行网格化分；步骤1.4：电磁场分析中，设定所述空气远场区域边缘处磁势为零，工件对称面上设置相应的磁势为零，所述钢件中心施加磁力线平行边界条件，在感应线圈的截面上施加相应的激励电流；步骤1.5：温度场分析中，设定所述感应线圈与空气单元都设置为空单元，只计算所述工件区域的温度场，所述模型的初始温度设定为常数，设置所述工件与表面接触的空气进行辐射以及对流热交换；步骤1.6：采用顺序耦合法进行电磁-温度耦合计算，首先根据初始温度条件，确定该温度下超高强度钢的热物性参数，求解电磁场问题，得到电磁感应的热生成率，并以此作为温度场模拟计算的初始热源，然后进行温度场计算，同时根据此时所述工件的温度场分布，来修正超高强度钢的热物性参数，然后求解电磁场，如此循环，直到到达设定的加热时间，得到所述工件的最终温度分布；步骤2：超高强度钢光轴工件感应加热过程的实验验证，包括以下步骤：步骤2.1：在超高强度钢光轴工件表面指定位置焊接K型热电偶，结合USB温度采集器以及计算机组成的系统进行温度数据的测量；步骤2.2：感应加热的实验验证过程中，所采用的工艺参数和模拟仿真过程保持一致，采用上述的温度采集系统测量指定点的温度-时间历程曲线；步骤2.3：将实测的温度曲线和模拟仿真所得温度曲线进行对比，若误差较大，则需对超高强度钢的热物性参数和网格模型进行修改，重复上述操作，直至实测和模拟数据能够较好的吻合；若误差在可接受的范围内，则认为所建立的模型是可靠的，进行下一步操作；步骤3：设计适合超高强度钢螺纹类工件局部回火的感应线圈，包括以下步骤：步骤3.1：在所述有限元分析软件中，取所述超高强度钢螺纹类工件模型截面的二分之一进行建模，根据感应线圈形状因素，位置因素以及匝数建立不同的线圈模型；步骤3.2：利用所述有限元软件自身的前处理器创建或从其他建模软件中读入几何模型；步骤3.3：重复步骤1.3-步骤1.6，进行超高强度钢螺纹类工件感应加热局部回火的模拟仿真，最终得到工件感应回火后的温度分布；步骤3.4：根据所述工件局部感应回火后的温度分布，判断感应线圈的设计是否合理。本专利技术所述中，步骤1和步骤2中，有限元仿真和实验验证中使用的是超高强度钢光轴工件，步骤3中，使用的是超高强度钢螺纹类工件模型。本专利技术所述中，超高强度钢材料属性随温度呈非线性变化，模拟计算时，需要对各温度节点的材料属性进行插值后输入，在步骤1.2中，定义20℃-800℃温度范围内所述工件的密度，比热容，焓值，热导率，电阻率以及相对磁导率，所述感应线圈的电阻率和相对磁导率，空气的相对磁导率。本专利技术所述中，步骤1.3中，所述网格划分为层状网格划分感应加热集肤层处网格划分最为密集。本专利技术所述中，步骤2.3中，如果实测和模拟数据能够相互吻合，则进行步骤3；如果实测和模拟数据相差较大，则修正材料属性和网格模型，再次进行步骤1操作。本专利技术所述中，步骤3.1中，感应线圈的形状因素包括：感应线圈截面形状，壁厚，内径。其中，感应线圈截面形状包括：矩形（含正方形），椭圆形（含圆形）。本专利技术所述中，步骤3.4中，感应线圈的设计是否合理的判据为：工件回火区内特别是超高强度钢螺纹部位温度分布均匀，热影响区内温度较低，不存在较大的温度梯度。根据本专利技术实施例的基于有限元仿真的超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈的设计方法。根据超高强度钢光轴工件以及感应线圈形状建立电磁感应加热几何模型，在网格划分和材料属性加载后，进行感应加热的有限元模拟，将模拟所得的结果和实验测量的结果进行比对，若两者能够很好的吻合，则进行下一步的超高强度钢螺纹类工件感应线圈的设计。从感应线圈的形状因素，位置因素和匝数进行优化设计，确保设计的感应线圈能够使超高强度钢螺纹类工件的螺纹部位在感应加热局部回火过程中得到均匀化的回火温度。该方案具有以下优点：(1)将有限元仿真和实验验证结合起来，有助于提高模拟仿真的精度，使得模拟仿真的数据可靠；(2)将有限元仿真引入超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈设计过程中，利于实现感应加热过程温度分布的可视化，便于对感应线圈各种设计参数进行调控，从而达到设计目的。(3)基于有限元仿真的超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈的设计方法，不仅有助于优化设计进程，加快感应加热技术在超高强度螺纹类工件局部回火中的应用，还有助于减少此类感应线圈的设计失误，节约设计成本。附图说明图1是根据本专利技术实施例的基于有限元仿真的超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈的设计方法流程图。图2螺纹类工件-感应线线圈系统。图3温度采集系统示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做详细的说明，但不限于此图1为根据本专利技术实施例的基于有限元仿真的超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈的设计方法流程图。如图1所示，根据超高强度钢光轴工件以及感应线圈形状建立几何模型，在网格划分和材料属性加载后，进行感应加热的有限元模拟，将模拟所得的结果和实验测量的结果进行比对，若两者能够很好的吻合，则进行下一步的超高强度钢螺纹类工件感应线圈的设计。从感应线圈的形状因素，位置因素和匝数等对螺纹类工件局部回火本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于有限元仿真的超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈的设计方法，其特征在于，包括：步骤1：超高强度钢光轴工件感应加热过程的有限元仿真，包括以下步骤：步骤1.1：根据模型的轴对称性，取模型截面的二分之一进行几何建模，所述模型包括由工件、感应线圈和空气组成的系统，几何模型在有限元软件前处理器中创建或者从其它建模软件中读入；步骤1.2：赋予几何模型相应的单元属性和材料属性，定义20℃‑800℃温度范围内所述工件的密度，比热容，焓值，热导率，电阻率以及相对磁导率，所述感应线圈的电阻率和相对磁导率，空气的相对磁导率；步骤1.3：对建立的几何模型进行网格化分；步骤1.4：电磁场分析中，设定所述空气远场区域边缘处磁势为零，工件对称面上设置相应的磁势为零，所述钢件中心施加磁力线平行边界条件，在感应线圈的截面上施加相应的激励电流；步骤1.5：温度场分析中，设定所述感应线圈与空气单元都设置为空单元，只计算所述工件区域的温度场，所述模型的初始温度设定为常数，设置所述工件与表面接触的空气进行辐射以及对流热交换；步骤1.6：采用顺序耦合法进行电磁‑温度耦合计算，首先根据初始温度条件，确定该温度下超高强度钢的热物性参数，求解电磁场问题，得到电磁感应的热生成率，并以此作为温度场模拟计算的初始热源，然后进行温度场计算，同时根据此时所述工件的温度场分布，来修正超高强度钢的热物性参数，然后求解电磁场，如此循环，直到到达设定的加热时间，得到所述工件的最终温度分布；步骤2：超高强度钢光轴工件感应加热过程的实验验证，包括以下步骤：步骤2.1：在超高强度钢光轴工件表面指定位置焊接K型热电偶，结合USB温度采集器以及计算机组成的系统进行温度数据的测量；步骤2.2：感应加热的实验验证过程中，所采用的工艺参数和模拟仿真过程保持一致，采用上述的温度采集系统测量指定点的温度‑时间历程曲线；步骤2.3：将实测的温度曲线和模拟仿真所得温度曲线进行对比，若误差较大，则需对超高强度钢的热物性参数和网格模型进行修改，重复上述操作，直至实测和模拟数据能够较好的吻合；若误差在可接受的范围内，则认为所建立的模型是可靠的，进行下一步操作；步骤3：设计适合超高强度钢螺纹类工件局部回火的感应线圈，包括以下步骤：步骤3.1：在所述有限元分析软件中，取所述超高强度钢螺纹类工件模型截面的二分之一进行建模，根据感应线圈形状因素，位置因素以及匝数建立不同的线圈模型；步骤3.2：利用所述有限元软件自身的前处理器创建或从其他建模软件中读入几何模型；步骤3.3：重复步骤1.3‑步骤1.6，进行超高强度钢螺纹类工件感应加热局部回火的模拟仿真，最终得到工件感应回火后的温度分布；步骤3.4：根据所述工件局部感应回火后的温度分布，判断感应线圈的设计是否合理。...

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元仿真的超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈的设计方法，其特征在于，包括：步骤1：超高强度钢光轴工件感应加热过程的有限元仿真，包括以下步骤：步骤1.1：根据模型的轴对称性，取模型截面的二分之一进行几何建模，所述模型包括由工件、感应线圈和空气组成的系统，几何模型在有限元软件前处理器中创建或者从其它建模软件中读入；步骤1.2：赋予几何模型相应的单元属性和材料属性，定义20℃-800℃温度范围内所述工件的密度，比热容，焓值，热导率，电阻率以及相对磁导率，所述感应线圈的电阻率和相对磁导率，空气的相对磁导率；步骤1.3：对建立的几何模型进行网格化分；步骤1.4：电磁场分析中，设定所述空气远场区域边缘处磁势为零，工件对称面上设置相应的磁势为零，所述钢件中心施加磁力线平行边界条件，在感应线圈的截面上施加相应的激励电流；步骤1.5：温度场分析中，设定所述感应线圈与空气单元都设置为空单元，只计算所述工件区域的温度场，所述模型的初始温度设定为常数，设置所述工件与表面接触的空气进行辐射以及对流热交换；步骤1.6：采用顺序耦合法进行电磁-温度耦合计算，首先根据初始温度条件，确定该温度下超高强度钢的热物性参数，求解电磁场问题，得到电磁感应的热生成率，并以此作为温度场模拟计算的初始热源，然后进行温度场计算，同时根据此时所述工件的温度场分布，来修正超高强度钢的热物性参数，然后求解电磁场，如此循环，直到到达设定的加热时间，得到所述工件的最终温度分布；步骤2：超高强度钢光轴工件感应加热过程的实验验证，包括以下步骤：步骤2.1：在超高强度钢光轴工件表面指定位置焊接K型热电偶，结合USB温度采集器以及计算机组成的系统进行温度数据的测量；步骤2.2：感应加热的实验验证过程中，所采用的工艺参数和模拟仿真过程保持一致，采用上述的温度采集系统测量指定点的温度-时间历程曲线；步骤2.3：将实测的温度曲线和模拟仿真所得温度曲线进行对比，若误差较大，则需对超高强度钢的热物性参数和网格模型进行修改，重复上述操作，直至实测和模拟数据能够较好的吻合；若误差在可接受的范围内，则认为所建立的模型是可靠的，进行下一步操作；步骤3：设计适合超高强度钢螺纹类工件局部回火的感应线圈，包括以下步骤：...

【专利技术属性】
技术研发人员：周贤良，陆文杰，华小珍，叶灵燚，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西;36