本發(fā)明涉及感應(yīng)熱處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于ansys仿真平臺(tái)的大齒圈移動(dòng)式感應(yīng)加熱的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)能作為一種清潔可再生能源，風(fēng)力發(fā)電的前景十分廣闊，未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間將保持高速發(fā)展。根據(jù)調(diào)查顯示，風(fēng)電齒輪失效占據(jù)風(fēng)電齒輪箱失效比例的55％以上。大齒圈是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要基礎(chǔ)傳動(dòng)構(gòu)件，根據(jù)其工作情況以及使用要求，需要對(duì)其進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。對(duì)于大型齒圈的強(qiáng)化處理，國(guó)內(nèi)外主要采用滲碳淬火、氮化淬火和感應(yīng)淬火的方式進(jìn)行，滲碳淬火相比感應(yīng)淬火其生產(chǎn)周期長(zhǎng)，能源浪費(fèi)大，大型滲氮爐的可靠性存在問(wèn)題，并且氮化層淺。感應(yīng)淬火與其他兩種淬火方式相比，則具有工藝簡(jiǎn)單、工件變形小、高效節(jié)能環(huán)保，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

目前對(duì)于大型風(fēng)電內(nèi)齒圈的感應(yīng)熱處理采用逐齒淬火或隔齒淬火，無(wú)論逐齒淬火還是隔齒淬火，均由感應(yīng)器通過(guò)掃描齒廓進(jìn)行感應(yīng)加熱，再通過(guò)淬火液對(duì)工件進(jìn)行急速冷卻淬火。已有研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電齒圈進(jìn)行掃描式感應(yīng)加熱中會(huì)出現(xiàn)端面效應(yīng)現(xiàn)象，即感應(yīng)器以相同的速度駛?cè)肱c駛出齒圈時(shí)，會(huì)出現(xiàn)端面溫度明顯高于中間部分溫度的現(xiàn)象。端面效應(yīng)使加熱溫度分布不均勻，會(huì)影響下一步的快速冷卻淬火工作，風(fēng)電大齒圈沿齒輪軸向容易產(chǎn)生齒面硬度不均勻現(xiàn)象，如果硬度分布均勻性不合格，齒輪將會(huì)報(bào)廢，帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在對(duì)大齒圈的感應(yīng)加熱過(guò)程中，其速度參數(shù)均由工人根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，成本高。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，為大齒圈移動(dòng)式感應(yīng)加熱過(guò)程的模擬研究提供了可能，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，將大大縮短其研究周期。同時(shí)，中國(guó)熱處理與表層改性技術(shù)路線圖指中出：研究并建立傳動(dòng)齒輪等規(guī)則外形關(guān)鍵構(gòu)件感應(yīng)表面淬火技術(shù)體系與產(chǎn)業(yè)”是感應(yīng)熱處理在未來(lái)5-10年的技術(shù)目標(biāo)之一；迫切的需要在2020年前完成針對(duì)大型齒輪、軸承研究感應(yīng)加熱淬火新技術(shù)，消除淬火軟帶，提高零件的綜合性能；急需在2018年前進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在感應(yīng)熱處理工藝中的應(yīng)用研究新技術(shù)開(kāi)發(fā)，利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行感應(yīng)淬火工藝調(diào)試，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化感應(yīng)器設(shè)計(jì)。

對(duì)于大齒圈移動(dòng)式感應(yīng)加熱計(jì)算方法的研究，將有助于控制端面效應(yīng)的影響，縮短產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)周期，對(duì)速度參數(shù)的進(jìn)一步研究提供參考。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種可以對(duì)大齒圈移動(dòng)式感應(yīng)加熱過(guò)程進(jìn)行仿真、模型可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行改變、可控制研究速度參數(shù)的一種基于ansys仿真平臺(tái)的大齒圈移動(dòng)式感應(yīng)加熱的計(jì)算方法。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于ansys仿真平臺(tái)的大齒圈移動(dòng)式感應(yīng)加熱的計(jì)算方法，該方法具體內(nèi)容包括如下步驟：

步驟1、根據(jù)大齒圈感應(yīng)加熱過(guò)程中使用的主要設(shè)備以及工件，確定建模所需參數(shù)；根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中使用的感應(yīng)加熱工藝參數(shù)，確定軟件可識(shí)別的等效參數(shù)；

步驟2、根據(jù)步驟1所確定的參數(shù)建立初始分析幾何模型，包括感應(yīng)器初始分析幾何模型、工件初始分析幾何模型和空氣場(chǎng)模型，然后添加所使用材料物性參數(shù)，劃分網(wǎng)格；施加邊界條件以及相應(yīng)載荷，進(jìn)行初始電磁加熱耦合計(jì)算；所述初始電磁加熱耦合計(jì)算為進(jìn)行一次建模與網(wǎng)格劃分，通過(guò)寫(xiě)入不同的物理環(huán)境進(jìn)行電磁的計(jì)算與熱的計(jì)算；先對(duì)工件進(jìn)行電磁計(jì)算，并將電磁計(jì)算的結(jié)果作為初始載荷，進(jìn)行熱計(jì)算；

步驟3、提取所分析工件的所有節(jié)點(diǎn)溫度；第一次提取溫度作為運(yùn)動(dòng)加熱的初始溫度，以后提取的節(jié)點(diǎn)溫度在下一次電磁分析開(kāi)始前賦予到工件上一一對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上；

步驟4、移動(dòng)感應(yīng)器，根據(jù)步驟1所確定的參數(shù)建立運(yùn)動(dòng)分析幾何模型，添加材料屬性，劃分網(wǎng)格，在電磁計(jì)算中將步驟3中提取的節(jié)點(diǎn)溫度賦到工件一一對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，施加邊界條件及載荷，進(jìn)行連續(xù)電磁加熱耦合計(jì)算；所述連續(xù)電磁加熱耦合計(jì)算，是先進(jìn)行電磁計(jì)算，然后清除原運(yùn)動(dòng)分析幾何模型，重新建立新運(yùn)動(dòng)分析幾何模型，該運(yùn)動(dòng)分析幾何模型與電磁計(jì)算所用運(yùn)動(dòng)分析幾何模型相同，重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分工作，并將電磁計(jì)算結(jié)果作為初始載荷，進(jìn)行熱計(jì)算；

步驟5、重復(fù)步驟3～4，通過(guò)實(shí)現(xiàn)感應(yīng)器每次移動(dòng)的距離以及相應(yīng)的感應(yīng)加熱時(shí)間來(lái)控制感應(yīng)器的運(yùn)動(dòng)速度，直至完成整個(gè)計(jì)算。

由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種基于ansys仿真平臺(tái)的大齒圈移動(dòng)式感應(yīng)加熱的計(jì)算方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有這樣的有益效果：

1、本發(fā)明能夠?qū)︼L(fēng)電齒圈移動(dòng)式感應(yīng)加熱過(guò)程進(jìn)行仿真，可根據(jù)需要改變模型幾何尺寸，可進(jìn)行對(duì)速度參數(shù)的更改，模擬更加貼近現(xiàn)實(shí)；

2、本發(fā)明通過(guò)修改物性參數(shù)，能夠?qū)Σ煌牧系拇簖X圈進(jìn)行仿真分析；

3、本發(fā)明可以幫助消除端面效應(yīng)的影響，降低溫度分布不均情況，提高感應(yīng)加熱的質(zhì)量；

4、本發(fā)明能通過(guò)仿真降低實(shí)驗(yàn)周期，同時(shí)保證加工質(zhì)量穩(wěn)定；

5、整個(gè)仿真過(guò)程以ansys軟件為平臺(tái)，仿真過(guò)程自動(dòng)化運(yùn)行，操作簡(jiǎn)單。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的流程圖；

圖2是本發(fā)明一個(gè)所選實(shí)例模型圖；

圖3是本發(fā)明一個(gè)所選實(shí)例有限元模型網(wǎng)格劃分圖；

圖4是本發(fā)明的一個(gè)所選實(shí)例感應(yīng)加熱溫度分布模擬圖。

附圖標(biāo)號(hào)：1-大齒圈、2-感應(yīng)器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明：

本發(fā)明針對(duì)大齒圈移動(dòng)式感應(yīng)加熱過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，需要將之前每一步的結(jié)果溫度作為初始溫度進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)將電磁計(jì)算的結(jié)果作為載荷進(jìn)行熱分析計(jì)算。

本發(fā)明的流程圖如圖1所示，本發(fā)明的一種基于ansys仿真平臺(tái)的大齒圈移動(dòng)式感應(yīng)加熱的計(jì)算方法，該方法具體內(nèi)容包括如下步驟：

步驟1、根據(jù)大齒圈1感應(yīng)加熱過(guò)程使用的主要設(shè)備以及工件，確定建模所需參數(shù)；根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中使用的感應(yīng)加熱工藝參數(shù)，確定軟件可識(shí)別的等效參數(shù)。步驟2、根據(jù)所確定的參數(shù)建立初始分析幾何模型，包括感應(yīng)器2初始分析幾何模型、工件初始分析幾何模型和空氣場(chǎng)模型，然后添加所使用材料屬性，劃分網(wǎng)格；施加邊界條件以及相應(yīng)載荷，進(jìn)行初始電磁加熱耦合計(jì)算。根據(jù)此步驟，并根據(jù)某一工件的幾何尺寸、所用感應(yīng)器2結(jié)構(gòu)尺寸，建立如圖2所示的模型圖，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中劃分工件與感應(yīng)器2的網(wǎng)格的有限元模型網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。輸入所用參數(shù)，寫(xiě)入相關(guān)物理環(huán)境。讀取磁物理環(huán)境，進(jìn)行電磁計(jì)算，得到電磁分析結(jié)果，然后讀入熱物理環(huán)境，將電磁分析的結(jié)果作為載荷施加，進(jìn)行熱分析計(jì)算；當(dāng)判斷計(jì)算循環(huán)時(shí)間未結(jié)束，則再次讀入磁無(wú)熱物理環(huán)境進(jìn)行計(jì)算，直到時(shí)間結(jié)束，停止本電磁加熱耦合計(jì)算。

步驟3、提取所分析工件所有節(jié)點(diǎn)溫度；第一次提取溫度作為運(yùn)動(dòng)加熱的初始溫度，以后提取的節(jié)點(diǎn)溫度在下一次電磁分析開(kāi)始前賦予到工件上一一對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。步驟4、移動(dòng)感應(yīng)器2，根據(jù)步驟1所確定的參數(shù)建立運(yùn)動(dòng)分析幾何模型，劃分網(wǎng)格，將步驟3中提取的節(jié)點(diǎn)溫度賦到工件一一對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，施加邊界條件及載荷，進(jìn)行連續(xù)電磁加熱耦合計(jì)算。其中本步驟的電磁加熱耦合計(jì)算，在溫度賦值結(jié)束后進(jìn)行電磁計(jì)算，得到磁分析結(jié)果，然后建立與本次電磁分析對(duì)應(yīng)的本步運(yùn)動(dòng)分析幾何模型，輸入相關(guān)物性參數(shù)，進(jìn)行熱計(jì)算。當(dāng)判斷本步計(jì)算結(jié)束后，退出熱計(jì)算循環(huán)。電磁分析前所輸入的物性參數(shù)為磁參數(shù)，熱分析前輸入的物性參數(shù)為熱參數(shù)。

步驟5、當(dāng)總運(yùn)動(dòng)分析時(shí)間為未結(jié)束，重復(fù)步驟3～4，通過(guò)實(shí)現(xiàn)感應(yīng)器2每次移動(dòng)的距離以及相應(yīng)的感應(yīng)加熱時(shí)間來(lái)控制感應(yīng)器的運(yùn)動(dòng)速度。

當(dāng)總體運(yùn)動(dòng)完成后，則相應(yīng)的通過(guò)本方法進(jìn)行的大齒圈1移動(dòng)式感應(yīng)加熱計(jì)算結(jié)束。

通過(guò)本發(fā)明方法，根據(jù)上述步驟，所選用實(shí)例模型的移動(dòng)式感應(yīng)加熱仿真溫度分布情況如圖4所示，可根據(jù)仿真情況，對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改優(yōu)化進(jìn)一步模擬分析，縮短周期，提高效率。