【導(dǎo)讀】工程師們都知道電磁兼容的定義和原理,甚至是如何避免電磁兼容的各種法子大家都可以說是了如指掌,但是電磁感應(yīng)加熱是什么?在什么設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)呢?如何去分析它?用什么分析?這些你知道嗎?不懂的就仔細(xì)的閱讀本文吧!
Marc在早期版本中已經(jīng)提供了電磁感應(yīng)熱的分析功能。利用這一功能,使用者可以模擬在特定頻率的電流激勵(lì)下
線圈周圍的磁場(chǎng)變化并計(jì)算被加熱物體上的感應(yīng)電流,從而進(jìn)一步預(yù)測(cè)由于歐姆損耗導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)溫度變化,進(jìn)一步耦合結(jié)構(gòu)分析還可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布、彈塑性變形、應(yīng)變的變化等。
與此同時(shí),結(jié)合Marc先進(jìn)的網(wǎng)格重劃分技術(shù)和接觸體設(shè)置可以模擬結(jié)構(gòu)和線圈具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的磁場(chǎng)變化以及感應(yīng)電流的生成。然而,由于分析不僅涉及結(jié)構(gòu)和溫度場(chǎng)的計(jì)算,還包括電、磁等多物理場(chǎng)的分析,因此需要完整的進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)以及周圍空氣在內(nèi)的模型的創(chuàng)建。那么,當(dāng)結(jié)構(gòu)和線圈具有較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),針對(duì)空氣的網(wǎng)格進(jìn)行重劃分就會(huì)顯著的增加分析的工作量甚至出現(xiàn)計(jì)算困難。因此在Marc最新版本中提供了最新的“雙重網(wǎng)格(dual mesh)”電磁感應(yīng)熱分析功能,利用這一功能,在實(shí)現(xiàn)原有的感應(yīng)熱分析外,還允許結(jié)構(gòu)和周圍空氣分別采用獨(dú)立的網(wǎng)格,在結(jié)構(gòu)和空氣網(wǎng)格出現(xiàn)重疊區(qū)域時(shí),Marc自動(dòng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)部分的材料特性進(jìn)行此區(qū)域的感應(yīng)電流、溫度場(chǎng)、結(jié)構(gòu)部分的計(jì)算。
這意味著使用者不再需要在結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)針對(duì)周邊空氣進(jìn)行大范圍的網(wǎng)格重劃分計(jì)算,而是由程序根據(jù)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況,自動(dòng)判定與空氣重疊的部位,并對(duì)此部位賦予結(jié)構(gòu)的全部材料特性進(jìn)行計(jì)算。這一功能將大大的減少使用者進(jìn)行感應(yīng)熱分析的建模和計(jì)算工作量,尤其是對(duì)于復(fù)雜的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行感應(yīng)加熱時(shí),將大幅減少前處理工作中針對(duì)周邊空氣建模的工作量以及整體的分析時(shí)間。
下面將以六組環(huán)形線圈對(duì)中心管狀結(jié)構(gòu)在軸向相對(duì)移動(dòng)過程中所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)熱問題為例,介紹在Marc中的定義方法和分析流程,基于結(jié)構(gòu)的形狀等特點(diǎn),將結(jié)構(gòu)簡化為二維軸對(duì)稱模型。采用Marc最新的“雙重網(wǎng)格(dual mesh)”電磁感應(yīng)熱分析功能分別對(duì)線圈、管狀結(jié)構(gòu)、周圍空氣進(jìn)行建模和定義,分析結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中感應(yīng)電流、溫度等的變化情況。具體流程如下:
首先創(chuàng)建線圈、管狀結(jié)構(gòu)、空氣的二維軸對(duì)稱模型,具體如下圖所示,其中采用最新的“雙重網(wǎng)格(dual mesh)”電磁感應(yīng)熱分析功能,需要按照真實(shí)的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行線圈和管狀結(jié)構(gòu)部分的網(wǎng)格劃分,而空氣的網(wǎng)格可以獨(dú)立劃分,并且允許與結(jié)構(gòu)部分存在重疊區(qū)域。由于趨膚效應(yīng)存在,材料感應(yīng)電流深度(即所謂的“趨膚深度”)對(duì)于加熱過程是極為重要的因素。為了正確的捕捉感應(yīng)電流,需要對(duì)結(jié)構(gòu)部分網(wǎng)格或者結(jié)構(gòu)將會(huì)移動(dòng)到的區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行足夠的細(xì)化。通常情況下,單元邊長需要小于趨膚深度(skin depth)。趨膚深度與激勵(lì)頻率(f)、磁導(dǎo)率(μ)、電導(dǎo)率(σ)相關(guān),具體定義如下:
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分別針對(duì)空氣、線圈以及結(jié)構(gòu)部分指定材料特性參數(shù),本例中的空氣和線圈不參與溫度場(chǎng)以及結(jié)構(gòu)的計(jì)算,僅需要指定電、磁相關(guān)的材料參數(shù)。結(jié)構(gòu)件參與溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)的計(jì)算,因此需要指定全部電、磁、熱、結(jié)構(gòu)部分的材料參數(shù)。并且各個(gè)材料參數(shù)需要考慮隨溫度的變化,尤其是金屬部件隨溫度變化的磁導(dǎo)率輸入,這是由于當(dāng)達(dá)到curie溫度時(shí),結(jié)構(gòu)的相對(duì)磁導(dǎo)率會(huì)有顯著的下降,這會(huì)影響生成的熱流。
模型中線圈周邊的空氣以及與管狀結(jié)構(gòu)具有重疊部分區(qū)域的空氣為滿足計(jì)算精度要求,需要采用相對(duì)較密的網(wǎng)格尺寸,外圍空氣可以采用漸疏的網(wǎng)格,并且范圍需要至少為結(jié)構(gòu)部分范圍的5-10倍,以確保計(jì)算的準(zhǔn)確性。這里將線圈、各個(gè)區(qū)域的空氣以及管狀結(jié)構(gòu)分別指定到不同的接觸體中,這樣允許不同的接觸體交界處的網(wǎng)格是不協(xié)調(diào)的,方便進(jìn)行網(wǎng)格的前處理。另外,模型中的空氣不需要考慮變形即結(jié)構(gòu)部分的計(jì)算,因此在接觸體類型中指定為“0 剛度”接觸體,而管狀結(jié)構(gòu)指定為可變形體,具體定義如下圖所示,包含了6個(gè)線圈接觸體、內(nèi)外三部分空氣接觸體以及管狀結(jié)構(gòu)接觸體,共10個(gè)接觸體。根據(jù)各個(gè)接觸體的位置指定接觸關(guān)系為touch,例如外圍空氣與內(nèi)部上、下兩部分空氣間、內(nèi)部空氣與線圈間、內(nèi)部上下空氣間。
假定結(jié)構(gòu)的初始溫度為室溫20°,管狀結(jié)構(gòu)的軸線上指定軸向強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)以及徑向約束??諝膺吘壭枰付ü潭妱?shì)(0)、磁勢(shì)(0)邊界約束。在線圈上指定簡諧電流輸入,對(duì)于本例中的軸對(duì)稱模型可以指定為體積電流輸入,對(duì)應(yīng)線圈圓周方向連續(xù)的橫截面電流值。當(dāng)然模型還可以進(jìn)一步考慮結(jié)構(gòu)與空氣間的對(duì)流換熱以及輻射等熱邊界條件。這里不做詳述。
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模型中考慮25秒加熱、停止加熱(保溫10秒)兩個(gè)階段,其中加熱階段電流激勵(lì)頻率為10000Hz,在Marc中針對(duì)兩個(gè)階段指定(dual mesh)magnetodynamic/thermal/structrual類型分析工況,并在任務(wù)參數(shù)中指定輸出必要的結(jié)果信息,例如:磁感應(yīng)分量(實(shí)、虛)、電流密度分量(實(shí)、虛)、溫度、電流、生熱等。遞交Marc分析后可以得到加熱結(jié)束時(shí)結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖
備注:
采用傳統(tǒng)方法創(chuàng)建的模型如下圖所示(局部放大),該模型中內(nèi)部空氣的網(wǎng)格作為一個(gè)接觸體存在,并且在與線圈和管狀結(jié)構(gòu)交界的部位通過接觸體間的接觸關(guān)系定義,同時(shí)管狀結(jié)構(gòu)的移動(dòng)導(dǎo)致空氣網(wǎng)格的變化,通過Marc的網(wǎng)格重劃分技術(shù)實(shí)現(xiàn):
采用傳統(tǒng)方法創(chuàng)建模型計(jì)算得到的加熱結(jié)束時(shí)的溫度分布,通過對(duì)比可知兩種方法得到的溫度分布是一致的,而dual mesh方法實(shí)現(xiàn)起來更為簡便: