CC BY
259
УДК 681.3 Елшин Виктор Владимирович,
д-р техн. наук, профессор, Иркутский государственный технический университет, тел.: 8(3952) 40-51-80
Жильцов Юрий Вадимович, аспирант, Иркутский государственный технический университет,
тел.: 89041450861, e-mail: yr25m@mail.ru
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО
КОМПЛЕКСА ANSYS
Индуктор
V.V. Elshin, Y.V. Zhilcov
THE MODELING OF THE PROCESS OF INDUCTIONAL HEATING USING OF THE ANSYS PROGRAMME COMPLEX
Аннотация. В статье рассматриваются возможности программного комплекса ANSYS для моделирования устройств индукционного нагрева. Дается сравнительный анализ возможностей пакета и методика работы с ним при решении электромагнитных задач. Приводится методика моделирования индукционного нагрева.
Ключевые слова: индукционный нагрев, конечный элемент, напряженность магнитного поля, гармонический анализ, цветовая карта.
Abstract. In the article the possibilities of the ANSYS programme complex for devices of inductional heating modeling are given. There are also the comparative analysis of possibilities of the package and the methods of work with it, necessary for the solution of electromagnetic problems. Here you can also find the technique of modelling of the inductional heating.
Keywords: inductional heating, final element, the magnetic field intensity, harmonious analysis, a colour card.
Ферромагнитный материал
1. Введение
Индукционными установками называют электротермические устройства, предназначенные для нагрева ферромагнитных материалов посредством воздействия переменного электромагнитного поля. Достоинством индукционной установки является полное отделение нагреваемого тела от электрической сети. Под действием переменного поля в нагреваемом ферромагнитном материале наводятся вихревые токи (токи Фуко), которые и разогревают материал. Конструктивно индукционная установка в данном анализе представляет собой индуктор (катушку диаметром Б= 103 мм, длиной Ь = 800 мм, числом витков N = 300, проводом сечением 8 = 1,5 мм2) и ферромагнитный материал (стальную трубу наружным диаметром Б1 = 89 мм, длиной Ь1 = 810 мм с толщиной стенки Ь = 8 мм) (рис. 1).
Рис. 1. Конструкция индукционной установки
Используемые в настоящее время методики проектирования таких установок являются приближенными и в большой мере основаны на использовании экспериментальных данных, что часто приводит к большим погрешностям в расчетах. В связи с этим проектирование индукционной установки должно завершаться этапом моделирования разработанной установки с целью проверки ее характеристик. Для моделирования индукционных установок более всего подходят программы расчета полей методом конечных элементов (МКЭ). В качестве среды для моделирования методом конечных элементов в данной работе использовался программный комплекс ANSYS. Данный программный комплекс в электромагнитном анализе позволяет произвести расчеты:
• индуктивности индуктора;
• напряженности магнитного поля;
• тепловых нагрузок в ферромагнитном материале;
• тока индуктора.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
2. Основные этапы моделирования электромагнитного анализа в программном комплексе Лп8у8
Основные этапы моделирования электромагнитного анализа в программном комплексе ЛК-БУБ сводятся к нескольким последовательным шагам:
1) выбор типа конечных элементов (двумерный 8-узловой конечный элемент Р1апе53 и элемент электрической цепи агеи124);
2) создание геометрической модели;
3) выбор типа анализа (двумерный (осе-симметричный), гармонический, магнитный);
4) задание свойств материалов (электропроводность, магнитная проницаемость);
5) задание граничных условий (величины потенциалов поля на границах расчетной области (Л2 = 0));
6) построение сетки конечных элементов;
7) решение задачи;
8) обработка результатов решения (построение цветовых карт, графиков изменения переменной по какому-либо контуру и т. д.).
2.1. Выбор типа конечных элементов
Двумерные 8-узловой конечный элемент Р1апе53 (рис. 2) позволяет:
• решать осесимметричную электромагнитную задачу (ключевая опция кеуор1(3) = 1);
• создавать индуктор (ключевая опция кеуор1;(1) = 3) с использованием вещественной константы, которая задает число витков (N=300), и коэффициента заполнения индуктора (к = Б^К/Бп, к - коэффициента заполнения индуктора, - площадь, занимаемая медным проводом, Бп - поперечное сечение индутора);
• использовать элементы электрической цепи Сиси 124 для привязки индуктора к источнику питания;
• рассчитывать индуктивность индуктора, напряженность магнитного поля, тепловые нагрузки в ферромагнитном материале.
Рис. 2. Двумерный 8-узловой конечный элемент Р1апе53
Элемент электрической цепи Сиси124 (рис. 3) позволяет:
• создавать элемент питания (ключевая опция кеуор1;(1) = 4) с использованием вещественной константы (Ю = 42 В), которая задает амплитуду напряжения на элементе питания;
• создавать элемент привязки индуктора (ключевая опция кеуор1;(1) = 5) с элементами электрической цепи.
Рис. 3. Элемент электрической цепи Circu124
2.2. Создание геометрической модели
В данном анализе устройство индукционного нагрева имеет осесимметричную форму, благодаря чему при решении задачи в двумерной постановке решение фактически находится для трехмерной задачи. Расчетная двумерная геометрическая модель в программном комплексе AN-SYS может создаваться из трехмерной модели, импортируемой из САПР в формате PARASOLID (в программном комплексе ANSYS удаляются все поверхности и линии, которые не лежат у основания модели). Внешний вид трехмерной и двумерной расчетной модели с элементами электрической цепи, линиями построения (L1...L13) показан на рис. 4.
Современные технологии. Механика и машиностроение
ш
1> к !
X
Рис. 4. Внешний вид трехмерной и двухмерной расчетной модели с элементами электрической цепи и линиями построения (Ь1...Ь13)
2.3. Выбор типа анализа
На первом этапе производится выбор типа анализа (гармонический). На этом же этапе задается частота (Г = 50 Гц). При моделировании индукционных электротехнологических устройств базовой задачей является задача расчета электромагнитного поля переменных токов (вихревых токов). Решение этой задачи позволяет определить картину распределения мощности тепловыделения в нагреваемом элементе, которая средствами пакета в дальнейшем будет передаваться в подчиненную задачу нестационарной теплопередачи для расчета процесса нагрева.
2.4. Запуск решателя программного комплекса ANSYS
Для запуска решателя программного комплекса ЛКБУБ необходимо произвести задание:
• физических свойств материалов (электропроводности, магнитной проницаемости, кривой намагничивания; электропроводность задается командой шр,геух (электропроводность стали Ст3 р0 = 0,184 х 10-6омм, меди р1 = 1,7 х 10" омм), магнитная проницаемость задается командой шр,шигх (меди и воздуха ц = 1) кривая намагничивания задается командой ТВ, ВН);
• граничных условий;
• конечных элементов для каждой поверхности и вещественных констант;
• опций шага нагружения;
• произвести наложение расчетной сетки на поверхности (размер расчетной сетки зависит от глубины проникновения электромагнитной волны; глубина проникновения элек-
тромагнитной волны в ферромагнитную среду оценивается Скин-эффектом).
2.5. Визуализация результатов расчетов в программном комплексе ANSYS
Решение задачи в программном комплексе ЛКБУБ представляет собой картину поля какой-либо из рассчитанных переменных. Для электромагнитной задачи это может быть индукция, напряженность магнитного поля, плотность тока, мощность тепловыделения и т. п.
Визуализация результатов в данном анализе представлена в форме построения цветовых карт (напряженности магнитного поля и объемных тепловых нагрузок), а также окон с выводом значений индуктивности, сопротивления индуктора.
Цветовая карта напряженности магнитного поля изображена на рис. 5. На данной карте видно, что амплитуда напряженности магнитного поля на поверхности ферромагнетика составляет НА= 3100 А/м.
Рис. 5. Цветовая карта напряженности магнитного поля
Поверхностная плотность (Р0) активной мощности, выделяемой в ферромагнетике, определяется формулой (1):
Р0 = 1000" 3 (Ид) 2у/ р о-ц о^ ,Вт/м2, (1) где Р0 - удельная мощность, вт/м2; НА - амплитуда магнитного поля на поверхности ферримагнитного материала, А/м) р0 - удельное сопротивление, ом м; ц0 - относительная магнитная проницаемость; Г - частота, Гц.
Поверхностная плотность (Р0) активной мощности в данном анализе составляет 460 Вт/м2.
Цветовая карта объемных тепловых нагрузок изображена на рис. 6. На данной карте видно, что максимальное значение тепловой нагрузки ферромагнетика составляет Оу = 400846 Вт/м3. Распределение объемных тепловых нагрузок на цветовой карте зависит от глубины проникновения электромагнитной волны в ферромагнитную среду.
V
V
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
тах отличаются на 0,4 о, относительная погрешность составила 2 % (так как средняя температура на двух картах 20 оС), следовательно, можно сделать вывод, что поверхностная плотность (Р0) активной мощности, полученная из формулы (1), в дальнейшем может применяться в нестационарных тепловых процессах вместо объемных тепловых нагрузок.
Рис. 7. Температурная цветовая карта в конце первого нестационарного теплового процесса
Рис. 6. Цветовая карта объемных тепловых нагрузок ферромагнетика
Для проверки правильности полученных результатов промоделируем два нестационарных тепловых процесса, которые будут протекать в течение пяти минут. В обоих процессах не будет учитываться конвективный и лучистый теплообмен, то есть вся подводимая энергия будет идти на нагрев тела. В первом моделируемом нестационарном тепловом процессе подводимая энергия будет задаваться поверхностной тепловой нагрузкой 460 Вт/м2. Во втором моделируемом нестационарном тепловом процессе подводимая энергия будет импортироваться из электромагнитного анализа в форме объемных тепловых нагрузок (рис. 6).
Визуализация результатов в данных процессах представлена в форме построения температурных цветовых карт (рис. 7, 8). Температурная цветовая карта в конце первого нестационарного теплового процесса изображена на рис. 7. На рис. 8 изображена температурная цветовая карта в конце второго нестационарного теплового процесса. Сравнив полученные результаты, можно отметить, что температуры в среднем на двух кар-
Рис. 8. Температурная цветовая карта в конце второго нестационарного теплового процесса
Окно с выводом значения индуктивности и сопротивления индуктора изображено на рис. 9.
Рис. 9. Окно с выводом значения индуктивности и сопротивления индуктора
Современные технологии. Механика и машиностроение
m
В данном окне ERES - сопротивление индуктора (ERES = 1,475 Ом), EIND - индуктивность (EIND = 0,012 Гн). Расчетный программный комплекс ANSYS позволяет рассчитывать индуктивность только для индукторов, имеющих форму соленоида (спиральной катушки) в 3D- и 2D^rn-лизе. В 3D-анализе с использованием трехмерных элементов Solid97, в отличие от двумерных элементов Plane53, возможно применение различных геометрических форм нагреваемых ферромагнитных тел (цилиндр, куб, шар, конус и т. п.). Данная возможность в дальнейшем позволит:
• создать различные формы индукционных установок;
• добиться эффективности и надежности в работе установки;
• снизить затраты на материалы.
3. Заключение
Программный комплекс ANSYSпозволяет проводить полноценное моделирование устройств индукционного нагрева, обеспечивая хорошую точность и быстроту решения поставленной задачи. Результаты, полученные в данном анализе, были подтверждены в испытательном центре «НИСЦЭО» электромонтажной фирмы «РАДИАН».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
1. ANSYS Electromagnetic Field Analysis Guide. -ANSYS Inc, 1998.
2. Слухоцкий А. Е. ,Рыскин С. Е. Индукторы для индукционного нагрева. - Л. : Энергия, 1974. -264 с.
УДК 621.883 Елисеев Сергей Викторович,
д-р техн. наук, профессор, директор НИИ современных технологий, системного анализа и моделирования ИрГУПС, тел.: 8(3952)59-84-28
Ермошенко Юлия Владимировна, канд. техн. наук, доцент, декан заочного факультета ИрГУПС, тел.: 8(3952)63-83-92
Трофимов Андрей Нарьевич, директор Инженерного центра УпрНИР ИрГУПС, e-mail: trofimov_an@irgups.ru
К ВОПРОСУ О ПОСТРОЕНИИ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ВИБРОЗАЩИТНЫХ СИСТЕМ С ДИНАМИЧЕСКИМИ ГАСИТЕЛЯМИ НЕТРАДИЦИОННОГО ТИПА
S. V. Eliseev, Yu. V.Ermoshenko, A.N. Trofimov
ON CREATING MATHEMATICAL MODELS OF VIBROPROTECTION SYSTEMS WITH NONTRADITIONAL DYNAMICAL ABSORBER
Аннотация. Рассматриваются вопросы построения математических моделей виброзащитных систем как технология последовательного введения сочленений. Показаны условия появления рычажных связей при использовании сочленений в системах с твердыми телами на упругих опорах.
Ключевые слова: виброзащитные системы с сочленениями, математические модели динамических гасителей, рычажные механизмы в динамике механических систем.
Abstract. Issues of creating mathematical models of vibroprotection systems as technology of consistent introduction of coupling are considered. Conditions of appearance of lever ties by using couplings in mechanical systems with rigid bodies on elastic support are shown.
Keywords: vibroprotection systems with couplings, mathematical models of dynamical absorbers, lever mechanisms in dynamics of mechanical oscillation systems.
I. Введение
Вопросам динамического гашения колебаний в теории и практике вибрационной защиты машин и оборудования уделяется достаточно большое внимание, что инициировало поиск и разработки новых конструктивно-технических решений, основанных на идеях введения в механические колебательные системы дополнительных обратных связей [1-4]. Особенности динамического гашения колебаний на основе использования устройств для преобразования движения, а также
