電磁爐加熱水—電磁熱結(jié)構(gòu)耦合仿真分析

2017-02-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

ANSYS作為一個(gè)強(qiáng)大的耦合場(chǎng)分析軟件,其多個(gè)場(chǎng)的模擬分析可以很好的結(jié)合,下面以電磁爐加熱一碗水為例,模擬耦合場(chǎng)的經(jīng)典應(yīng)用.

注意:模擬中用到的分析數(shù)據(jù)包括電磁線圈頻率、電流、線圈圈數(shù)、導(dǎo)線面積、電流密度、材料參數(shù)和散熱系數(shù)等相關(guān)分析均為假設(shè)數(shù)據(jù),真實(shí)數(shù)據(jù)請(qǐng)查閱相關(guān)資料或根據(jù)產(chǎn)品性能添加。

實(shí)例介紹:

電磁爐是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理對(duì)食品進(jìn)行加熱的。電磁爐的爐面是耐熱陶瓷板,交變電流通過陶瓷板下方的線圈產(chǎn)生磁場(chǎng),它利用高頻的電流通過環(huán)形線圈,從而產(chǎn)生無數(shù)封閉磁場(chǎng)力,當(dāng)磁場(chǎng)那磁力線通過導(dǎo)磁(如:鐵質(zhì)鍋)的底部,會(huì)產(chǎn)生無數(shù)小渦流(一種交變電流,家用電磁爐使用的是15-30KHZ的高頻電流),使鍋體本生自行高速發(fā)熱,達(dá)到加熱食品的目的。

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1.分析模型介紹

模型建立為一個(gè)底部圓環(huán)模擬線圈,其上一個(gè)平板模擬陶瓷板,其上鐵碗,碗中半碗水,為了便于網(wǎng)格劃分和后續(xù)的分析,將模型分割為對(duì)稱的4個(gè)部分如圖3所示.

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2.分析過程

在Workbench中建立耦合場(chǎng)的分析流程,使用Magnetostatic建立磁場(chǎng)分析模塊,使用瞬態(tài)熱分析模塊讀取磁場(chǎng)分析的功耗,查看水升溫的時(shí)間,建立結(jié)構(gòu)分析模塊讀取熱分析的溫度分布,來獲取結(jié)構(gòu)相關(guān)的結(jié)果。

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2.1電磁場(chǎng)分析

底板線圈使用電流密度添加電流模擬線圈電流,這樣在線圈上不會(huì)產(chǎn)生渦流效應(yīng)導(dǎo)致的電流分布不均勻現(xiàn)象,其值為 I=單根導(dǎo)線電流*線圈圈數(shù)/線圈截面積,由于線圈為高頻交流電,根據(jù)電磁理論在碗底的鐵質(zhì)體上產(chǎn)生渦流,靠渦流生成的電流來加熱碗底,并可以讀取相應(yīng)的熱生成功率。

分析中注意的事項(xiàng):

加載電流密度的圓環(huán)模型要建立圓心的圓柱坐標(biāo)系,將其模型坐標(biāo)系為圓柱坐標(biāo)系,Y軸為圓環(huán)的圓周方向,模擬電流的流向,如圖5所示。
靜態(tài)磁場(chǎng)分析默認(rèn)為117單元,是不產(chǎn)生渦流效果的,可以更改模型的單位類型關(guān)鍵字,將碗底的模型單元更改為117,1單元,或者更改為236單元,設(shè)置相應(yīng)的關(guān)鍵字。

分析中加載電流密度并設(shè)置為諧波分析:

bfe,conductor,js,2,current_density !加載電流密度

/solu

anty,harm

harfr,30000 !高頻求解

solve

底盤線圈的電流密度結(jié)果如圖6所示,高頻產(chǎn)生的碗底渦流如圖7所示

讀取熱生成率,獲取相應(yīng)的功率結(jié)果,圖8所示。

/post1

set,1

cmsel,s,steel

powerh

my_powerloss=PAVG

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圖5 線圈坐標(biāo)設(shè)置

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圖6 底盤線圈電流密度

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圖7 碗底渦流密度

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圖8 渦流效果熱生成率

2.2 瞬態(tài)熱分析

加載瞬態(tài)熱分析模塊Transient Thermal,鏈接磁場(chǎng)分析的網(wǎng)格部分,打開瞬態(tài)熱分析模塊,這樣會(huì)讀取相應(yīng)的網(wǎng)格模型和材料設(shè)置,需要抑制掉空氣部分。

在瞬態(tài)熱分析中設(shè)置相應(yīng)的分析時(shí)間長度為600s,步數(shù)為600步,設(shè)置相應(yīng)的散熱系數(shù),如圖9所示,將插入commands命令,讀取磁場(chǎng)生成的熱結(jié)果。

ldread,hgen !讀取熱結(jié)果

加熱碗的最大溫度的溫升曲線如圖10所示,600s時(shí)刻的溫度分布結(jié)果如圖11和圖12所示。

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圖9 設(shè)置散熱系數(shù)

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圖10 溫度隨時(shí)間變化曲線

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圖11 碗底溫度

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圖12 碗整體溫度

2.3 結(jié)構(gòu)分析

加載結(jié)構(gòu)模塊structural,鏈接磁場(chǎng)分析的網(wǎng)格部分,打開后讀取磁場(chǎng)分析相應(yīng)的網(wǎng)格模型和材料設(shè)置,同樣需要抑制掉空氣部分。

設(shè)置好邊界條件之后讀取上一步的熱生成的溫度,根據(jù)相應(yīng)的材料參數(shù)可以獲取碗的膨脹變形量和應(yīng)力分布情況,如圖所示

讀取溫度分布載荷

ldread,temp

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圖13 碗應(yīng)力分布

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圖14 碗變形分布

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圖15 碗變形分布

Workbench作為一個(gè)分析平臺(tái)可以將多個(gè)獨(dú)立的物理場(chǎng)很好的耦合到一起,很好的解決多電磁場(chǎng)、熱、結(jié)構(gòu)以及流體等物理場(chǎng)的耦合計(jì)算。

多物理場(chǎng)分析能夠更全面的展示一些設(shè)備的多個(gè)輸入因素導(dǎo)致的相互作用,電磁爐的耦合場(chǎng)分析可以應(yīng)用于模擬淬火加熱零件、電機(jī)受力、雙金屬片彎曲等相關(guān)的電、熱和結(jié)構(gòu)耦合的分析,能夠獲取相關(guān)的溫度、變形、線圈參數(shù)等需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

另外workbench的多物理場(chǎng)仿真能夠更好的共享模型和模型網(wǎng)格,通過讀取載荷能夠更好的匹配熱、力等載荷數(shù)據(jù),使計(jì)算快速準(zhǔn)確,使仿真能夠顯著的減少實(shí)驗(yàn)次數(shù),提高準(zhǔn)確度,并縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。

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