CN107742030A - 对tp2内螺纹铜管中频加热及施加脉冲电流的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对TP2内螺纹铜管中频加热及施加脉冲电流的模拟方法，其内容为：模拟了TP2内螺纹铜管的静态仿真，即线圈与TP2内螺纹铜管始终相对静止，对TP2内螺纹铜管同时中频热处理及施加脉冲电流的整个模拟；模拟了TP2内螺纹铜管的动态仿真，即线圈与TP2内螺纹铜管相对运动时，对TP2内螺纹铜管同时中频热处理及施加脉冲电流的整个模拟；在静态模拟和动态模拟中，得到了各时刻，铜管整体及横截面方向上的温度场分布、电磁场分布以及脉冲电流的分布情况，并总结得到各参数对温度场、电磁场、脉冲电流的分布规律。采用本发明方法能够对TP2内螺纹铜管施加脉冲电流和中频热处理作用的实验进行仿真模拟，结果较为准确，很贴近实际实验的效果。

Description

对TP2内螺纹铜管中频加热及施加脉冲电流的模拟方法

技术领域

本发明涉及一种针对改善TP2内螺纹铜管组织的模拟方法，特别涉及一种模拟脉冲电流辅助对铜管中频感应加热处理的方法，能够实现对铜管进行中频热处理的同时予以施加脉冲电流的数值模拟。

背景技术

TP2内螺纹铜管被广泛的应用于空调、制冷器等国民生产生活中，由于其良好的传热性能，因此被广泛的应用于制冷、导热工业中。国内生产制造TP2内螺纹铜管主要采用的方法为铸轧法，但由于现有生产技术上的局限，普遍存在一定缺陷，在使用过程中，在导热性能起重要作用的内螺纹齿部分在使用一段时间后，常常易出现疲劳破损而导致裂纹、螺纹齿残缺、断齿等现象，这大大降低了螺纹管的导热性能和使用寿命。为了提高铜管的性能，由此在生产过程中需要克服的加工难度以及人力物力的投入不断增多，这都加重了企业的负担和成本。

已有研究结果表明，脉冲电流作用于高温金属组织时，能够使其组织得到细化，改善力学性能；另一方面，电磁感应加热处理由于具有加热快、效率高、污染小的优点在工业生产中普遍应用，结合这两点，对铜管进行中频热处理的同时，施加脉冲电流，可以细化铜管组织，改善其力学性能。从而避免为降低生产工艺缺陷造成的影响而带来的高加工难度和高生产成本等缺点。

但是在研究对TP2内螺纹铜管进行感应加热及施加脉冲电流两者共同作用下，铜管组织性能获得的效果，通常都是采用大量的实验来进行总结、验证的，虽然通过实验可以切实可靠的掌握两种物理作用下，铜管的组织性能受到的影响及变化，但这需要花费大量的人力物力来整理，以及花费很多的时间，更为重要的是，实验只能通过金相实验等来查看组织，最重要的实验过程中，铜管上各部位的温度场、电磁场分布、脉冲电流的分布情况、变化情况是在实验中是不可能获得的，因此，通过实验只能对实验完后的试件进行金相实验来得到铜管组织晶粒在不同参数下的变化，从而获得一定的规律，而在实验过程中的起重要作用的各物理场则无任何获得，缺陷太大，而ANSYS软件由于具有电磁物理场、热电耦合场等多物理场的耦合，以及强大的数值模拟功能，通过电子计算机的准确计算，可以获得接近实际的效果而获得广泛的使用。

因此，基于实验中存在的上述缺陷以及计算机技术和ANSYS软件的强大功能，采用ANSYS软件作为模拟仿真平台是节约成本、时间、人力、物力，又较为准确接近实际情况的绝佳方法，更为重要的是，其为实验做好了大量的准备工作和向导性工作，为实验总结相应的规律做了很好的铺垫，并且生动、形象、较为准确的给出实验过程中主要物理场的作用机制，为总结规律提供了重要的支撑和材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ANSYS仿真模拟平台对TP2内螺纹铜管整个实验过程进行仿真计算、能够较为准确的模拟改善铜管性能的中频热处理及脉冲电流加载这两个物理作用、并能更为接近实际实验过程的模拟计算方法。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种对TP2内螺纹铜管中频加热及施加脉冲电流的模拟方法，该方法包括静态仿真模拟和动态仿真模拟；

所述静态仿真模拟包括如下步骤：

步骤一、提取铜管及感应线圈的几何参数和物理参数，并转换为ANSYS中的命令流语言；依据前述参数建立铜管、感应线圈和空气的实体模型；进行网格划分，获得有限元模型；

步骤二、导入有限元模型，进入物理环境库中进行各物理作用的模拟：其具体内容如下：

(1)通过*do循环语言命令来对中频感应加热进行模拟：

导入中频感应加热的电磁物理环境，读入温度载荷并作为初始条件，开始进行电磁分析计算；电磁分析完毕后，导入中频感应加热的热物理环境，将电磁分析中的温度载荷以及电磁分析中的热生成率作为初始条件，进行热计算；计算完毕后，在*do循环命令下，返回开始的电磁分析中，再一次重新开始，根据设置的循环次数依次重复进行，直至达到要求的热处理温度范围为止；

(2)通过*do循环语言命令对脉冲电流进行模拟：

其一，脉冲热电模拟：导入脉冲热电物理环境，将脉冲电流关键参数转化为ANSYS语言，将感应加热中的温度载荷作为初始条件导入，进行计算；待达到规定的计算时间后，将计算结果保存至相应的结果文件中；

其二，脉冲电磁模拟：导入脉冲电磁物理环境，脉冲电流各参数通过APDL语言及*do循环命令进行设置，将脉冲热电的温度载荷作为温度初始条件，并将感应加热的电磁力载荷作为电磁场初始条件导入，进行计算；待达到规定的计算时间后，将计算结果保存至相应的结果文件中；

步骤三、首先清除上一次步骤一、步骤二模拟时导入的有限元模型；再次提取铜管及新建立的感应线圈的几何参数和物理参数，并转换为ANSYS中的命令流语言；依据这些参数建立铜管、感应线圈和空气的实体模型；重新进行网格划分，生成新的有限元模型；

步骤四、导入新的有限元模型，进入物理环境库中进行各物理作用的模拟：其具体内容如下：

(1)通过*do循环语言命令来对中频感应加热进行模拟：

导入中频感应加热的电磁物理环境，读入上一次模拟中最终时刻的温度载荷并作为初始条件，开始进行电磁分析计算；电磁分析完毕后，导入中频感应加热的热物理环境，将电磁分析中的温度载荷以及电磁分析中的热生成率作为初始条件，进行热计算；计算完毕后，在*do循环命令下，返回开始的电磁分析中，再一次重新开始，根据设置的循环次数依次重复进行，直至达到要求的热处理温度范围为止；

(2)通过*do循环语言命令对脉冲电流进行模拟：

其一，脉冲热电模拟：导入脉冲热电物理环境，将脉冲电流关键参数转化为ANSYS语言，将感应加热中的温度载荷作为初始条件导入，进行计算；待达到规定的计算时间结束，并将计算结果保存至相应的结果文件中；

其二，脉冲电磁模拟：导入脉冲电磁物理环境，脉冲电流各参数通过APDL语言及*do循环命令进行设置，将脉冲热电的温度载荷作为温度初始条件，并将感应加热的电磁力载荷作为电磁场初始条件导入，进行计算；待达到规定的计算时间结束，并将计算结果保存至相应的结果文件中；

按照上述步骤，依次重复往复，根据静态仿真模拟中的时间设置，直至达到指定时间为止；

所述动态仿真模拟，其基本步骤与所述静态仿真模拟相同，只是在ANSYS软件平台中，为实现铜管与感应线圈之间的相对运动效果，每将感应线圈移动一次，感应线圈与铜管之间的相对位置发生一次改变，其相应的有限元模型就需要重新建立一次；

所述动态仿真模拟包括如下步骤：

步骤一、同静态仿真模拟步骤一；

步骤二、同静态仿真模拟步骤二；

步骤三、首先清除上一次步骤一、步骤二模拟时导入的有限元模型；提取铜管及新建立的感应线圈的几何参数和物理参数，并转换为ANSYS中的命令流语言；依据前述参数建立铜管、感应线圈和空气的实体模型；重新进行网格划分，生成新的有限元模型；所述新建立的感应线圈，相较上一次模拟时，其感应线圈尺寸没有变化，只是与铜管的相对位置发生改变；

步骤四、导入新的有限元模型，进入物理环境库中进行各物理作用的模拟：其具体内容如下：

(1)通过*do循环语言命令来对中频感应加热进行模拟：

导入中频感应加热的电磁物理环境，读入上一次模拟中最终时刻的温度载荷并作为初始条件，开始进行电磁分析计算；电磁分析完毕后，导入中频感应加热的热物理环境，将电磁分析中的温度载荷以及电磁分析中的热生成率作为初始条件，进行热计算；计算完毕后，在*do循环命令下，返回开始的电磁分析中，再一次重新开始，根据设置的循环次数依次重复进行，直至达到要求的热处理温度范围为止；

(2)通过*do循环语言命令对脉冲电流进行模拟：

其一，脉冲热电模拟：导入脉冲热电物理环境，将脉冲电流关键参数转化为ANSYS语言，将感应加热中的温度载荷作为初始条件导入，进行计算；待达到规定的计算时间结束，并将计算结果保存至相应的结果文件中；

其二，脉冲电磁模拟：导入脉冲电磁物理环境，脉冲电流各参数通过APDL语言及*do循环命令进行设置，将脉冲热电的温度载荷作为温度初始条件，并将感应加热的电磁力载荷作为电磁场初始条件导入，进行计算；待达到规定的计算时间结束，并将计算结果保存至相应的结果文件中；

按照上述步骤，依次重复往复，根据动态仿真模拟中的时间设置，直至达到指定时间为止。

所述静态仿真模拟，其具体流程只需在ANSYS软件平台上，通过输入简短的APDL语言，就能使计算机自动完成所述的静态仿真模拟流程，具体流程如下：

1、导入有限元模型；

2、执行ANSYS宏库一至数个；

3、按顺序执行宏库中的各个宏。

所述动态仿真模拟，其具体流程只需在ANSYS中输入简短的APDL命令，就能使计算机自动计算完成整个动态仿真模拟流程，具体流程如下：

1、导入有限元模型；

2、执行ANSYS宏库一至数个；

3、按顺序执行宏库中的各个宏；

4、清除模型，移动线圈，生成新的整体模型；

5、再次执行命令1至4，直至达到规定时间。

所述静态仿真模拟和动态仿真模拟，就是采用顺序耦合法对TP2内螺纹铜管中频热处理的同时施加脉冲电流；而且，为实现中频热处理和脉冲电流同时作用在铜管上的等同效果，在静态仿真模拟和动态仿真模拟中的每一次模拟中，中频热处理模拟与脉冲电流模拟所用时间必须相同，且时间越短、中频热处理和脉冲电流同时作用在铜管上的这一等同效果就越明显。

所述在静态仿真模拟和动态仿真模拟中的每一次模拟中，中频热处理模拟与脉冲电流模拟所用时间不超过1s。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

采用本发明方法能够对TP2内螺纹铜管施加脉冲电流和中频热处理作用的实验进行仿真模拟，结果较为准确，很贴近实际实验的效果；本发明方法可将实验中的各参数组数据拿来进行仿真模拟，可以获得各参数在整个实验中对铜管的影响规律和机制，从而获得最优的参数搭配；为实际实验提供了宝贵而又丰富的经验和规律，使实验人员可以此来对实际实验获得的规律做出一定的预判，以及为实际实验效果作铺垫；对于超出实际实验规定的一些参数的数据，由于危险性或者实验设备难以达到的实验，此时本发明即可进行模拟仿真，为这方面提供一定的材料。采用本发明方法可以获取TP2内螺纹铜管整体以及横截面上在各时刻的温度分布、电磁力分布、磁感应强度、磁通密度以及脉冲电流密度分布云图，以及相应的节点数据，这为实验提供了实时研究铜管上各部位的电磁场、温度场、脉冲电流分布的变化的能力，这可以较为准确而又生动形象的展现整个实验中各个参数组对电磁场、温度场及脉冲电流的的变化影响机制，这是实际实验中难以企及的。本发明还可以对其它金属材料制成的各种管材、板材等在感应加热和脉冲电流作用下的实验进行仿真模拟，具有通用性；实验人员可通过输入简洁的编程语言即可通过计算机对整个实验进行，操作及其的简单方便、大量的节省人力、物力。

附图说明

图1为本发明的铜管静态时整个实验的仿真模拟流程图；

图2为本发明的铜管动态时整个实验的仿真模拟流程图；

图3为本发明的TP2内螺纹铜管的有限元模型图；

图4为本发明模拟中某一时刻的铜管整体温度场云图示意图；

图5为本发明模拟中某一时刻的铜管横截面温度场云图示意图；

图6为本发明模拟中某一时刻的铜管整体电磁力云图示意图；

图7为本发明模拟中某一时刻的铜管横截面电磁力云图示意图；

图8为本发明模拟中某一时刻的铜管整体脉冲电流的分布云图示意图；

图9为本发明模拟中某一时刻的铜管横截面脉冲电流的分布云图示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明的一种对TP2内螺纹铜管中频加热及施加脉冲电流的模拟方法，该方法包括静态仿真模拟和动态仿真模拟；

如图1所示，所述静态仿真模拟包括如下步骤：步骤一、提取铜管及感应线圈的几何参数、物理参数，并转换为ANSYS中的命令流语言；依据参数建立铜管、线圈、空气的实体模型；进行网格划分，获得有限元模型；

根据实验要求，提取铜管以及感应线圈的几何参数、物理参数，设置感应加热及脉冲电流的各组关键参数；像实验一样，设置感应加热及脉冲电流的各组参数，数值模拟中也把两物理作用中的重要参数取不同数值来设置参数组，其中感应加热中的关键参数为：加热频率及交流电密度两个，由此基于实验选取合适的取值范围，在取值范围中分别为两参数各自取同等个数的合适数值，从而生成两个参数组；同样，在脉冲电流中重要的参数共计三个，分别为：脉冲电压、脉冲宽度、脉冲频率，基于实验为三个参数分别选取同等个数的合适数值，设置三个参数组；提取铜管以及感应线圈的各项参数，如内径、外径、长度、螺纹角等几何参数，以及相对磁导率、电阻率、导热系数、比热容等物理参数，提取完毕后，将其中的物理参数按照物理属性分别保存在文件中。

将各组关键参数转换为ANSYS中的命令流语言。依据参数建立铜管、线圈、空气的实体模型；进行网格划分，获得有限元模型，将模型保存入数据库；

打开ANSYS软件，在ANSYS软件中进行如下操作：

读取各材料文件，将各材料特性导入ANSYS材料库中；建立铜管、线圈、空气的实体模型；对各实体模型进行网格划分，并对相应网格赋予材料特性以及设置单元类型，获得有限元模型，并将模型保存入数据库；建立数个ANSYS宏库，这是整个模拟的核心部分，ANSYS宏库的建立：

通过APDL语言编程建立物理环境宏：为有限元模型建立物理环境，根据感应加热和脉冲电流两物理作用，先后建立电磁环境，热环境，脉冲热电环境以及脉冲电磁环境。其中电磁物理环境为有限元模型赋予电磁单元、设置边界条件、载荷范围及加载方式、电磁计算收敛准则以及求解类型；热物理环境为有限元模型设置赋予热单元、热收敛准则、载荷步设置及求解类型；上述两个物理环境即为进行中频感应加热时的所有物理环境。

步骤二、导入有限元模型，进入物理环境库中进行各物理作用的模拟：

1、通过*do循环语言命令来对中频感应加热进行模拟：

导入电磁物理环境，读入温度载荷并作为初始条件，开始计算，电磁分析完毕后，导入热物理环境，将电磁分析中的温度载荷作为初始条件，并将电磁分析结果文件中的热生成率数据导入，进行计算。计算完毕后，在*do循环命令下，返回开始的电磁分析中，再一次重新开始，根据设置的循环次数依次重复进行，直至达到要求的热处理温度范围为止。

2、通过*do循环语言命令对脉冲电流进行模拟，其中脉冲电流引起温度升高，并且产生电磁场，因此需要对其分两部分模拟，即脉冲热电模拟和脉冲电磁模拟两部分。

其一，脉冲热电模拟：导入脉冲热电物理环境，将脉冲电流的关键参数——脉冲电压、脉冲频率、脉冲宽度转化为ANSYS的标量参数，将感应加热中的温度载荷作为初始条件导入，开始计算即可。

其二，脉冲电磁模拟：导入脉冲电磁物理环境，与脉冲热电一样，脉冲电流的各重要参数通过APDL语言及*do循环命令进行设置，设置完毕后，将脉冲热电的温度载荷作为温度初始条件，以及将感应加热的电磁力载荷作为电磁场初始条件导入，开始计算，在脉冲电磁模拟中，即可实现整体实验的模拟仿真。

上述为静态仿真模拟的具体流程，在模拟整个实验时，只需在ANSYS软件平台上，通过输入简短的APDL语言命令即可使计算机自动计算完成上述整个模拟，如下所示：

1、导入有限元模型；

2、执行ANSYS宏库(一至数个)；

3、按顺序执行宏库中的各个宏。

即可实现铜管的整个静态仿真模拟。

如图2所示为对TP2内螺纹铜管的动态仿真模拟过程，其与静态仿真模拟流程基本一样，区别在于动态仿真使铜管实现等效运动效果，其具体过程如下：

一、提取铜管及感应线圈的几何参数、物理参数，并转换为ANSYS中的命令流语言。依据参数建立铜管、线圈、空气的实体模型；进行网格划分，获得有限元模型。

二、导入有限元模型，进入物理环境库中进行各物理作用的模拟：

脉冲热电物理环境为有限元模型赋予热电耦合单元、选中模型的一端面，对其上所有节点耦合电压自由度；脉冲电磁物理环境为有限元模型赋予电磁单元、设置边界条件。上述两个物理环境即为施加脉冲电流时的所有物理环境。

接着通过APDL语言建立模拟宏：

1、通过*do循环语言命令来对中频感应加热进行模拟：

在*do循环命令中导入标量参数、并将所有更新的标量参数保存至文本中并入数据库，导入电磁物理环境，接下来即将进行的电磁分析的方式、过程、以及所得结果在ANSYS中均会有相应的文件形式进行保存，因此在进行电磁分析前先将各文件名命名好，然后导入温度载荷并作为初始条件，开始计算，电磁分析完毕后，导入热物理环境，同样为接下来的热分析中的相应各文件进行命名，导入初始温度条件，并将电磁分析结果文件中的热生成率数据导入，并读取标量参数文件，将电磁分析中的温度载荷以及电磁分析结果中的热生成率作为初始条件，进行热计算；热分析计算完毕后，在*do循环命令下，返回开始的电磁分析中，再一次重新开始，根据*do命令设置的循环次数依次重复进行，直至达到要求的热处理温度范围为止。其中上述为开始的第一次循环中的步骤，以后各次循环与第一次相同，只不过除开始的第一次外，每一次的电磁分析中温度初始条件均为上一次循环中热分析所得的温度结果，每一次的热分析中的温度初始条件同样也是上一次循环中的热分析所得结果。

2、通过*do循环语言命令对脉冲电流进行模拟。其中脉冲电流引起温度升高，并且产生电磁场，因此需要对其分两部分模拟，即脉冲热电模拟和脉冲电磁模拟两部分。其一，脉冲热电模拟：导入脉冲热电物理环境，为即将进行的脉冲热电中产生的各个文件提前命名，将脉冲电流的关键参数——脉冲电压、脉冲频率、脉冲宽度转化为ANSYS的标量参数，并通过APDL语言编程以及*do循环命令来进行设置，设置好后，将感应加热中的温度载荷作为初始条件导入，开始计算即可。需要说明的是，本发明中中频热处理和脉冲电流的模拟中所涉及的物理场众多，因此本发明专利采用顺序耦合法实现了对TP2内螺纹铜管中频热处理的同时施加脉冲电流的整个实验过程。并且为了实现与实际情况贴近的效果，每次中频热处理模拟与脉冲电流模拟所用时间相同并且时间很短。

其二，脉冲电磁模拟：导入脉冲电磁物理环境，将脉冲电磁中产生的各文件进行提前命名，与脉冲热电一样，脉冲电流的各重要参数通过APDL语言及*do循环命令进行设置，设置完毕后，将脉冲热电的温度载荷作为温度初始条件，以及将感应加热的电磁力载荷作为电磁场初始条件导入，开始计算，在脉冲电磁模拟中，即可实现整体实验的模拟仿真。

三、达到规定的计算时间后，保存计算结果至相应的结果文件中，清除模拟后的有限元模型，重新导入未经模拟计算的铜管实体模型，并建立新的线圈，其尺寸没有变化，只是与铜管的相对位置发生改变，即通过线圈的步进运动来等效铜管的运动。重新网格划分，生成新的整体有限元模型后，再次按照上述流程依次进行模拟计算，直至达到规定的时间结束即可。

上述为动态仿真模拟的具体流程，在模拟整个实验时，同静态仿真模拟一样，只需在ANSYS软件平台上中输入简短的APDL语言命令即可使计算机自动计算完成上述整个模拟，如下所示：

1、导入有限元模型

2、执行ANSYS宏库(一至数个)

3、按顺序执行宏库中的各个宏

4、清除模型，移动线圈，生成新的整体模型

5、再次执行命令1至4，直至达到规定时间。

图3所示为本发明中TP2内螺纹铜管的有限元模型图；在用ANSYS有限元软件对TP2内螺纹铜管进行静态仿真模拟和动态仿真模拟时，通过对通过铜管的三围模型进行网格划分，得到有限元模型，以此作为实体，根据实际物理条件，对该实体施加相应的载荷和边界条件，从而实现模拟。

如图4所示，为铜管静态仿真模拟或动态仿真模拟完毕后，得到的各时刻中，铜管整体的温度分布情况示意云图。通过对铜管整体温度云图的获取，可以获得在整个静态仿真和动态仿真过程中，TP2内螺纹铜管整体温度的变化情况，以及不同参数变化对铜管整体温度变化的影响规律，由此得到的参数规律，可对铜管整体温度分布情况作出预判。

如图5所示，为铜管静态仿真模拟或动态仿真模拟完毕后，得到的各时刻中，铜管横截面上的温度分布情况示意云图。通过对铜管横截面上温度云图的获取，可以获得在整个静态仿真和动态仿真过程中，TP2内螺纹铜管横截面上温度的变化情况，以及不同参数变化对铜管整体温度变化的影响规律，由此得到的参数规律，可对铜管横截面上温度分布情况作出预判。

如图6所示，为铜管静态仿真模拟或动态仿真模拟完毕后，得到的各时刻中，铜管整体电磁力云图示意图。通过对铜管整体电磁力云图的获取，可以获得在整个静态仿真和动态仿真过程中，TP2内螺纹铜管整体电磁力的变化情况，以及不同参数变化对铜管整体电磁力变化的影响规律，由此得到的参数规律，可对铜管整体电磁力分布情况作出预判。

如图7所示，为铜管静态仿真模拟或动态仿真模拟完毕后，得到的各时刻中，铜管横截面电磁力云图示意图。通过对铜管横截面电磁力云图的获取，可以获得在整个静态仿真和动态仿真过程中，TP2内螺纹铜管横截面电磁力的变化情况，以及不同参数变化对铜管横截面电磁力变化的影响规律，由此得到的参数规律，可对铜管横截面上电磁力分布情况作出预判。

如图8所示，为铜管静态仿真模拟或动态仿真模拟完毕后，得到的各时刻中，铜管整体脉冲电流的分布云图示意图。通过对铜管整体脉冲电流分布云图示意图的获取，可以获得在整个静态仿真和动态仿真过程中，TP2内螺纹铜管整体脉冲电流的变化情况，以及不同参数变化对铜管整体脉冲电流变化的影响规律，由此得到的参数规律，可对铜管整体脉冲电流分布情况作出预判。并且结合前面所述的铜管整体温度云图和电磁力云图在对应时刻的分布情况作比较，可以得到铜管整体温度分布和电磁力分布对铜管整体脉冲电流分布的影响规律。

如图9所示，为铜管静态仿真模拟或动态仿真模拟完毕后，得到的各时刻中，铜管横截面脉冲电流的分布云图示意图。通过对铜管横截面脉冲电流分布云图示意图的获取，可以获得在整个静态仿真和动态仿真过程中，TP2内螺纹铜管横截面脉冲电流的变化情况，以及不同参数变化对铜管横截面脉冲电流变化的影响规律，由此得到的参数规律，可对铜管横截面脉冲电流分布情况作出预判。并且结合前面所述的铜管横截面温度云图和电磁力云图在对应时刻的分布情况作比较，可以得到铜管横截面温度分布和电磁力分布对铜管横截面脉冲电流分布的影响规律。

Claims (5)

1.一种对TP2内螺纹铜管中频加热及施加脉冲电流的模拟方法，该方法包括静态仿真模拟和动态仿真模拟；

所述静态仿真模拟包括如下步骤：

步骤一、提取铜管及感应线圈的几何参数和物理参数，并转换为ANSYS中的命令流语言；依据前述参数建立铜管、感应线圈和空气的实体模型；进行网格划分，获得有限元模型；

步骤二、导入有限元模型，进入物理环境库中进行各物理作用的模拟：其具体内容如下：

(1)通过*do循环语言命令来对中频感应加热进行模拟：

导入中频感应加热的电磁物理环境，读入温度载荷并作为初始条件，开始进行电磁分析计算；电磁分析完毕后，导入中频感应加热的热物理环境，将电磁分析中的温度载荷以及电磁分析中的热生成率作为初始条件，进行热计算；计算完毕后，在*do循环命令下，返回开始的电磁分析中，再一次重新开始，根据设置的循环次数依次重复进行，直至达到要求的热处理温度范围为止；

(2)通过*do循环语言命令对脉冲电流进行模拟：

其一，脉冲热电模拟：导入脉冲热电物理环境，将脉冲电流关键参数转化为ANSYS语言，将感应加热中的温度载荷作为初始条件导入，进行计算；待达到规定的计算时间后，将计算结果保存至相应的结果文件中；

其二，脉冲电磁模拟：导入脉冲电磁物理环境，脉冲电流各参数通过APDL语言及*do循环命令进行设置，将脉冲热电的温度载荷作为温度初始条件，并将感应加热的电磁力载荷作为电磁场初始条件导入，进行计算；待达到规定的计算时间后，将计算结果保存至相应的结果文件中；

步骤三、首先清除上一次步骤一、步骤二模拟时导入的有限元模型；再次提取铜管及新建立的感应线圈的几何参数和物理参数，并转换为ANSYS中的命令流语言；依据这些参数建立铜管、感应线圈和空气的实体模型；重新进行网格划分，生成新的有限元模型；

步骤四、导入新的有限元模型，进入物理环境库中进行各物理作用的模拟：其具体内容如下：

(1)通过*do循环语言命令来对中频感应加热进行模拟：

导入中频感应加热的电磁物理环境，读入上一次模拟中最终时刻的温度载荷并作为初始条件，开始进行电磁分析计算；电磁分析完毕后，导入中频感应加热的热物理环境，将电磁分析中的温度载荷以及电磁分析中的热生成率作为初始条件，进行热计算；计算完毕后，在*do循环命令下，返回开始的电磁分析中，再一次重新开始，根据设置的循环次数依次重复进行，直至达到要求的热处理温度范围为止；

(2)通过*do循环语言命令对脉冲电流进行模拟：

其一，脉冲热电模拟：导入脉冲热电物理环境，将脉冲电流关键参数转化为ANSYS语言，将感应加热中的温度载荷作为初始条件导入，进行计算；待达到规定的计算时间结束，并将计算结果保存至相应的结果文件中；

其二，脉冲电磁模拟：导入脉冲电磁物理环境，脉冲电流各参数通过APDL语言及*do循环命令进行设置，将脉冲热电的温度载荷作为温度初始条件，并将感应加热的电磁力载荷作为电磁场初始条件导入，进行计算；待达到规定的计算时间结束，并将计算结果保存至相应的结果文件中；

按照上述步骤，依次重复往复，根据静态仿真模拟中的时间设置，直至达到指定时间为止；

所述动态仿真模拟，其基本步骤与所述静态仿真模拟相同，只是在ANSYS软件平台中，为实现铜管与感应线圈之间的相对运动效果，每将感应线圈移动一次，感应线圈与铜管之间的相对位置发生一次改变，其相应的有限元模型就需要重新建立一次；

所述动态仿真模拟包括如下步骤：

步骤一、同静态仿真模拟步骤一；

步骤二、同静态仿真模拟步骤二；

步骤三、首先清除上一次步骤一、步骤二模拟时导入的有限元模型；提取铜管及新建立的感应线圈的几何参数和物理参数，并转换为ANSYS中的命令流语言；依据前述参数建立铜管、感应线圈和空气的实体模型；重新进行网格划分，生成新的有限元模型；所述新建立的感应线圈，相较上一次模拟时，其感应线圈尺寸没有变化，只是与铜管的相对位置发生改变；

步骤四、导入新的有限元模型，进入物理环境库中进行各物理作用的模拟：其具体内容如下：

(1)通过*do循环语言命令来对中频感应加热进行模拟：

导入中频感应加热的电磁物理环境，读入上一次模拟中最终时刻的温度载荷并作为初始条件，开始进行电磁分析计算；电磁分析完毕后，导入中频感应加热的热物理环境，将电磁分析中的温度载荷以及电磁分析中的热生成率作为初始条件，进行热计算；计算完毕后，在*do循环命令下，返回开始的电磁分析中，再一次重新开始，根据设置的循环次数依次重复进行，直至达到要求的热处理温度范围为止；

(2)通过*do循环语言命令对脉冲电流进行模拟：

其一，脉冲热电模拟：导入脉冲热电物理环境，将脉冲电流关键参数转化为ANSYS语言，将感应加热中的温度载荷作为初始条件导入，进行计算；待达到规定的计算时间结束，并将计算结果保存至相应的结果文件中；

其二，脉冲电磁模拟：导入脉冲电磁物理环境，脉冲电流各参数通过APDL语言及*do循环命令进行设置，将脉冲热电的温度载荷作为温度初始条件，并将感应加热的电磁力载荷作为电磁场初始条件导入，进行计算；待达到规定的计算时间结束，并将计算结果保存至相应的结果文件中；

按照上述步骤，依次重复往复，根据动态仿真模拟中的时间设置，直至达到指定时间为止。

2.根据权利要求1所述的对TP2内螺纹铜管中频加热及施加脉冲电流的模拟方法，其特征在于：所述静态仿真模拟，其具体流程只需在ANSYS软件平台上，通过输入简短的APDL语言，就能使计算机自动完成所述的静态仿真模拟流程，具体流程如下：

1)导入有限元模型；

2)执行ANSYS宏库一至数个；

3)按顺序执行宏库中的各个宏。

3.根据权利要求1所述的对TP2内螺纹铜管中频加热及施加脉冲电流的模拟方法，其特征在于：所述动态仿真模拟，其具体流程只需在ANSYS中输入简短的APDL命令，就能使计算机自动计算完成整个动态仿真模拟流程，具体流程如下：

1)导入有限元模型；

2)执行ANSYS宏库一至数个；

3)按顺序执行宏库中的各个宏；

4)清除模型，移动线圈，生成新的整体模型；

5)再次执行命令1至4，直至达到规定时间。

4.根据权利要求1所述的对TP2内螺纹铜管中频加热及施加脉冲电流的模拟方法，其特征在于：所述静态仿真模拟和动态仿真模拟，就是采用顺序耦合法对TP2内螺纹铜管中频热处理的同时施加脉冲电流；而且，为实现中频热处理和脉冲电流同时作用在铜管上的等同效果，在静态仿真模拟和动态仿真模拟中的每一次模拟中，中频热处理模拟与脉冲电流模拟所用时间必须相同，且时间越短、中频热处理和脉冲电流同时作用在铜管上的这一等同效果就越明显。

5.根据权利要求4所述的对TP2内螺纹铜管中频加热及施加脉冲电流的模拟方法，其特征在于：所述在静态仿真模拟和动态仿真模拟中的每一次模拟中，中频热处理模拟与脉冲电流模拟所用时间不超过1s。