高频感应熔涂温度场及应力场的数值模拟

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感应熔涂是指利用感应加热来使涂层熔化,从而可以高效快速地获得大面积熔覆层,生产成本较低,且能达到相应的各项要求,有着广泛的应用前景。基于对熔涂效果的控制,需要知道工件熔涂时温度场及熔后应力场的分布。然而,实际操作中很难精确测量熔涂时工件中温度场在时间和空间上的分布,相应熔涂后工件中应力场的具体分布也很难测量。本文根据感应熔涂的原理,运用ANSYS软件,研究并实现了工件在移动感应加热中磁-热耦合场的模拟计算,得出了温度场的分布情况,然后把温度作为施加载荷,对熔涂后冷却完毕的工件进行应力场的数值模拟计算,并得出了结果。论文的主要工作有:首先,建立了工件在感应加热时耦合场的数学模型。从高效计算出发,引入磁矢量位法,简化了涡流场的计算。建立了感应加热温度场的数学模型,运用伽辽金法对涡流场和温度场的控制方程进行了离散,得到了耦合场的计算模型。其次,针对工件的移动问题,工件上每一部位的任意时刻的温度是它在前一位置(时刻)的温度和当前时间加热及热传递导致温度变化值的迭加。在利用ANSYS数值模拟熔涂温度场时,选取多场求解器法作为模型的耦合方法,解决了材料特性随温度的非线性变化、感生电流相互影响、辐射、空气对流以及电磁场的建立时间等问题。分四种工况对圆柱体形状样件进行了数值模拟,探讨了电流密度和频率的选取对温度场在时间和空间上分布的影响。最后应用ANSYS软件对熔涂后应力场进行了数值模拟,结合工件特点,进行热-应力瞬态耦合场的计算,熔涂后分空冷和石棉灰中缓冷两种方式,对工件中应力场的分布情况进行了求解。对模拟结果作了简单分析,理论上阐述了工件中拉应力和压应力的形成机理及涂层不会开裂的原因。通过模拟数据证实了在石棉灰中缓冷,可以有效降低熔涂工件中的残余热应力。
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