基于多岛遗传算法与响应面法的横向磁通感应加热装置参数优化设计

对金属带材进行横向磁通感应加热(TFIH)时,通常会存在加热温度分布不均匀以及加热温度偏离目标值两个问题。该文研究了加热器结构参数与电源参数对45号钢带材回火热处理温度的影响,并对两种参数分别进行优化,使带材在加热器出口处的平均温度达到目标值600℃,同时获得均匀的温度分布。采用Morris法对加热器结构参数进行全局灵敏度分析,选取显著影响相对不均匀度的参数并建立径向基函数(RBF)神经网络预测模型。使用多岛遗传算法(MIGA)对筛选的结构参数进行优化,初步获得均匀的温度分布。最后以降低温度分布的相对不均匀度和达到理想平均温度为目标,在优化后的加热器结构基础上使用响应面法(RSM)优化电源参数,实现多目标优化设计。仿真验证结果表明,45号钢带材在加热器出口处的平均温度为600.06℃、相对不均匀度为2.36%,满足45号钢回火热处理的要求。

新型横向磁通感应加热线圈

由于横向磁通感应加热装置依然存在装置出口处沿带材宽度方向上带材表面温度分布不均匀的问题,制约其工业应用。感应加热器线圈形状和位置对带材表面涡流分布、温度分布和电磁力分布都会产生重要影响。本文提出一种新型横向磁通感应加热线圈结构,并在同等输入电流、相同规格被加热带材和同等气隙厚度条件下,与两种典型线圈结构进行比较。利用有限元方法进行三维仿真计算得到的运动带材表面的磁感应强度、涡流、热源和温度分布说明本文提出的感应线圈结构在保证效率的同时能够获得更为均匀的出口温度,为新型带材横向磁通感应加热装置的制作提供了理论依据。

神经网络预测应用于横向磁通感应加热中涡流场与温度场的有限元分析

利用神经网络预测横向磁通感应加热中连续运动金属薄板表面涡流分布和温度分布。所采用的两条神经网络中,一条对涡流场分布进行预测,另一条对温度场分布进行预测。在抽取的检测样本中,预测温度分布的相对误差平均值为1.6—3.2％,以神经网络预测结果作为非线性有限元离散方程组迭代求解的初值,比薄板初始温度作为初值的情况节省55.6～67.6％的迭代次数。

横向磁通感应加热装置中线圈形状对涡流及温度分布的影响

针对在横向磁通涡流感应加热中金属薄板表面温度分布不均匀的问题 ,提出了判断薄板表面涡流分布的方法 ,即薄板表面上的涡流分布可以近似为线圈几何形状在薄板表面的投影 ;进一步阐述了投影面积决定温度分布情况 ,因此为了在薄板表面得到均匀的温度分布应依据投影面积来选择线圈形状的设计原则。依据上述论断设计了连续运动薄板的横向磁通涡流感应加热装置 ,其数学模型包含一组稳态涡流问题的偏微分方程和含运动媒质的傅立叶热传导方程。采用三维有限元法对涡流场和温度场的耦合问题进行了数值分析 ,通过数值计算得出了薄板表面上的涡流、热源和温度分布 ,并将感应加热装置出口处沿宽度方向的计算值与测量值进行了比较 。

连续运动薄板横向磁通感应加热耦合场分析新方法

通过沿薄板运动反方向以单元格的形式平移薄板中的热源来取代薄板的连续运动 ,使得温度场的每次计算可以采用相同的热源分布 ,无需重新计算涡流场 ,大大减少了横向磁通感应加热耦合场数值仿真的时间。利用有限元数值计算结果作为神经网络的训练样本 ,分别建立了横向磁通感应加热装置出口处平均温度及其平均相对误差的预测模型。检验样本的结果表明所训练的神经网络具有很高的准确性。利用神经网络分析了频率和电流对平均温度及其平均相对误差的影响 。

新型带材横向磁通感应加热器设计与相关激励参数优选

针对原有横向磁通感应加热装置漏磁稍大且交变磁场通过磁路的磁导率小和磁阻大的不足,设计了新型感应加热器并对新型装置激励参数进行优选。新型装置是在原有装置基础上,在加热器边缘安装与铁心相同材料的铁轭。基于该文提出的磁热耦合计算方法,对原有和新型装置在相同激励下进行涡流场和温度场计算分析。结果表明:新型装置中用于加热带材的交变磁场的有效值较大,在加热状态稳定后,加热器出口处带材表面能够获得更高的温度分布,且新型装置漏磁较小,使得加热器出口处带材表面温度分布均匀性和加热效率均优于原有装置。同时,基于新型装置,针对横向磁通感应加热技术存在带材温度分布不均匀的缺点,计算了不同激励电流大小和频率参数下带材表面的温度分布情况,优选出一组使温度分布均匀性最好的激励参数。结果表明:当电流大小为1000A、频率为500Hz时,带材表面温度分布均匀性最好,其温度相对不均匀度为2.9%。

多根棒材端部横向磁通感应加热数值模拟

利用ANSYS有限元软件中的电磁-热耦合技术,通过建立有限元模型,分析了多根棒材感应加热过程中,频率、电流密度、空气间隙、棒材数量、棒材的摆放位置、棒材与棒材之间的间隙对棒材的加热效果及影响规律.结果表明:增大电流密度和频率、减小空气间隙、增大棒材与棒材之间的间隙、都会提高工件在相同加热时间所达到的温度.通过控制这些参数,可以灵活控制棒材的加热速率;同时,计算值与实验值进行了比较,结果基本吻合.因而可以利用棒材的感应加热数值模拟结果为实际工艺的制定提供理论依据.

导磁体在多根棒材横向磁通感应加热中的应用

针对特殊钢成捆棒材切割后,因表面温差过大会出现端部开裂的现象,实际生产中需要特殊处理.利用ANSYS电磁-热耦合技术,分析了导磁体对多根棒材横向磁通感应加热的影响.结果表明:导磁体能降低磁阻,提高整捆棒材的加热效率,并且随着线圈一侧导磁体面积的增大,加热效率增大;双导磁体更有利于感应加热整捆棒材的温度分布均匀;同时,通过模型简化将模拟温度与实验温度进行对比,结果基本吻合.

铝管式油冷器横向磁通感应加热线圈研究

为了实现铝管式油冷器的横向磁通感应加热技术(TFIH),并解决传统平面线圈存在的管端溶蚀和合格率低问题,设计了一种新型锥形线圈来替代传统平面线圈。通过COMSOL软件基于变物性条件进行电磁-热耦合仿真,分析了铝管式油冷器的温度分布、升温曲线、电流密度分布和焦耳热分布情况,并分析了锥角对加热效果的影响。结果表明,铝管式油冷器在新型锥形线圈下具有较好的温度分布,避免了管端溶蚀并且合格率在95%以上。使用温度传感器对管端温度进行监控,耦合仿真的相对误差在4%以内,结果表明耦合仿真具有一定的精度。此项研究可以指导工业设计及生产,为铝管式油冷器提供了TFIH线圈解决方案。

横向磁通感应加热带材温度场的计算分析

连续运动的带材在横向磁通感应加热装置下通过交变磁场感应出涡流,产生焦耳损耗从而对运动带材进行加热。横向磁通感应加热具有加热速度快,加热频率低等一系列优点,但是在加热过程中会出现带材出口处温度分布不均匀的现象,这严重制约横向磁通感应加热在实际工业生产中的应用。本文以六边形线圈为例,通过设计单一变量试验进行对比,分析线圈所加激励电流以及线圈相对位置对运动带材表面温度分布所产生的影响,从而确定合理的加热条件,为扩大横向磁通感应加热在实际生产中的应用提供理论支持。

基于横向磁通的包装机横封感应加热建模及仿真

针对包装机横封时的温度分布问题,对横封感应加热的温度场进行了数值建模和计算.在横向磁通原理的基础上,结合横封过程和所用铝塑复合包材的特点,研究了横封感应加热的电磁场和温度场描述方程和边界条件,建立了适用于包装机横封感应加热的电磁场和温度场的数学模型.利用大型通用有限元分析软件ANSYS对感应加热的涡流场和温度场进行了仿真.通过分析包材封合截面的各向温度分布情况,证明模拟实际工况下的温度分布满足封合要求.仿真结果为工程应用提供了参考.

横向磁通感应加热激励参数对带材温度的影响及加热器优化

在考虑带材物理性能参数随温度变化的前提下,基于横向磁通感应加热耦合场的迭代计算,分析了不同激磁电流、电流频率和带材运动速度对钢带材温度分布的影响。对感应加热器模型进行了优化,改变加热器与带材之间气隙分布,设计了4种感应加热器模型,分析了在不同加热器模型下带材的平均温度和温度均匀性。对比了45钢和35CrMnSiA钢在原始加热器模型与改进后最佳加热器模型下的平均温度与温度均匀性。结果表明:优化后的感应加热器模型使带材表面温度分布更加均匀,平均温度更高。

三维有限元法在横向磁通涡流感应加热中的应用

对镀锌生产线上连续运动的薄钢板的横向磁通感应加热过程应用了三维有限元分析.所采用的数学模型包含一组稳态涡流问题的偏微分方程和含运动媒质的傅立叶热传导方程,对涡流场和与之相耦合的温度场进行了计算.为了提高计算效率,对问题的简化和边界条件的处理进行了分析.为了使薄板表面的温度均匀分布,应用正交试验法对感应加热器的结构进行了优化.

横向磁通感应线圈结构研究

与纵向感应加热相比,横向磁通感应加热具有加热频率低、无功功率小、线圈不围绕工件尤其适合连续金属热处理过程的特点。然而,横向磁通感应加热装置出口处沿带材宽度方向上带材温度分布依然存在不均匀的问题,制约了其工业应用。本文对不同线圈结构的横向磁通感应加热器进行磁热耦合仿真研究,分析了线圈凸出部分、线圈宽度、线圈拐角以及线圈与带材边缘相交长度等结构参数对感应器出口处带材温度分布的影响。总结影响温度分布的关键因素,提出一种能够获得更为均匀的出口温度的新型横向磁通感应加热线圈结构,为新型带材横向磁通感应加热装置的制作提供了理论依据。

线圈宽度对板材出口处横向温度分布的影响

采用横向磁通给金属板材进行感应加热具有加热快、无功功率低、加热频率低、适合连续加热等优势，但存在板材出口处横向温度分布不均匀的问题。文中针对长方形线圈感应加热时板材出口处横向温度分布不均匀的问题展开研究。分析了线圈宽度对板材出口处横向温度分布的影响。结果表明随着线圈宽度的增大。板材出口处横向温度的相对不均匀度先减小再增大。因此对于每个宽度固定的板材，必然存在一个线圈宽度使其温度分布最均匀。