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注射机料筒电磁感应加热温度数学模型及数值模拟的研究

作　者: 常士家
导　师: 何雪涛
学　校: 北京化工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 电磁感应加热温度场数值模拟 ANSYS 等时控温注射机料筒节能
分类号: TQ320.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文主要研究电磁感应加热器加热注射机料筒时料筒温度分布的数值模拟。电磁感应加热是利用料筒中感生涡流的焦耳效应将料筒加热,这种加热方式具有升温快、效率高、控制精确、污染少、热惯性小等特点,在工业生产中得到了广泛的应用。如何设置加热过程的参数使之满足被加热料筒中各项性能要求是普遍关注的问题。料筒的诸多性能指标与热处理过程中的温度分布是密切相关的,然而基于实验的系统设计方法却耗时费力。因此,数值模拟技术对于这类系统的设计和研究具有重要意义。本文从电磁感应加热的基本原理和电磁-热耦合场计算的有限元方法着手,以电磁学和传热学为基础,推导了电磁感应加热料筒的电磁场和温度场分布的理论公式,并给出了电磁场、温度场分布的数学模型及相应的有限元分析模型。其中,电磁场和涡流场的数学模型是通过引入复矢量磁位而建立的。讨论了感应加热有限元分析中温度场与电磁场耦合、料筒材料物理参数对温度依赖性等关键技术问题的处理方法。分析了料筒的感应透热过程,得到了料筒内的温度分布状况以及温度随时间的变化规律。模拟分析了频率、线圈电流强度系数等参数对料筒温度控制的影响。通过得到的结果,了解感应加热温升过程和特点,从而为注射机料筒温度控制提供一定的依据以及为感应加热器的参数选取提供一定指导作用。对于电磁感应加热料筒,利用其高效率和生热原理的不同,该料筒相比按料筒表面积分配功率的电阻加热料筒在结构上可以进行优化,料筒壁厚可以减薄,节省材料。本文最后介绍了一种新的注射机料筒预热过程各个加热段等时控温方法。该方法是在原温度控制系统上用延时加热的方法实现注射机料筒各段等时到达设定温度的控温方法。其中各段的延时时间可以通过与上次各段延时时间比较而在以后开机过程中会越来越精确,实现延时时间的自适应性。经实践验证,采用该温控方法可以避免由于设定温度低的各段等待设定温度高的段到达设定温度而损耗的热能,降低了在温控设备上没有意义的电能浪费,达到节能的目的。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-14
第一章绪论  14-24
  1.1 注射机发展概述  14-17
    1.1.1 注射机发展  14-16
    1.1.2 注射成型机塑化系统的简介  16-17
  1.2 注射机数值模拟技术研究现状  17-18
  1.3 电磁感应加热数值模拟技术研究现状  18-20
  1.4 选题的背景和意义  20-22
  1.5 本文的研究方法及主要研究内容  22-23
  1.6 本章小结  23-24
第二章电磁感应加热原理及主要特点  24-28
  2.1 电磁感应与涡流发热  24-25
  2.2 集肤效应及透入深度  25-26
  2.3 邻近效应和圆环效应  26-27
  2.4 透入式加热和传导式加热  27
  2.5 本章小结  27-28
第三章电磁感应加热有限元计算的物理基础  28-40
  3.1 电磁场的基本理论  28-35
    3.1.1 安培环路定律  28
    3.1.2 法拉第电磁感应定律  28-29
    3.1.3 高斯电通定律  29
    3.1.4 高斯磁通定律  29
    3.1.5 Maxwell方程组的微分形式  29-31
    3.1.6 基于矢量磁位A的电磁感应加热涡流场基本方程  31-34
    3.1.7 电磁场边界条件  34
    3.1.8 ANSYS软件中的电磁场分析  34-35
  3.2 温度场有限元数学模型  35-38
    3.2.1 电磁感应加热温度场数学模型  35-38
    3.2.2 ANSYS软件中的热分析  38
  3.3 ANSYS软件中的耦合场  38-39
    3.3.1 顺序耦合方法  39
    3.3.2 直接耦合方法  39
    3.3.3 直接耦合法与顺序耦合法的应用场合  39
  3.4 本章小结  39-40
第四章电磁感应加热电磁-热耦合场的ANSYS计算  40-50
  4.1 ANSYS求解电磁—热耦合问题的方法  40-41
  4.2 电磁-热耦合多物理环境的具体实施过程  41-42
  4.3 ANSYS中材料非线性问题的计算方法  42
  4.4 相关影响因素的分析和计算  42-43
    4.4.1 辐射和空气对流的影响及计算处理方法  42-43
    4.4.2 线圈与料筒感生电流相互影响的处理  43
  4.5 电磁感应加热数值模拟计算模型的建立  43-48
    4.5.1 问题的描述与假设  43-44
    4.5.2 材料特性  44-46
    4.5.3 边界条件、分析单元与网格划分  46-48
  4.6 本章小结  48-50
第五章料筒升温过程基本问题的模拟研究  50-60
  5.1 电磁场与温度场耦合模拟结果  50-53
  5.2 参数变化对模拟结果的影响  53-59
    5.2.1 频率的影响  53-55
    5.2.2 线圈电流密度的影响  55-56
    5.2.3 绝缘隔热层厚度的影响  56-57
    5.2.4 加热线圈尺寸大小的影响  57-58
    5.2.5 加热器参数优化  58-59
  5.3 本章小结  59-60
第六章料筒优化初探  60-68
  6.1 料筒加热功率的确定方法  60-63
  6.2 料筒加热功率不够的解决方法  63
  6.3 料筒壁厚的确定  63-64
  6.4 料筒的强度计算  64-65
  6.5 电磁感应加热的能量参数  65-66
  6.6 料筒优化  66-67
  6.7 本章小结  67-68
第七章塑料机械预热阶段等时到达设定温度的控温方法的研究  68-80
  7.1 塑料机械预热阶段等时到达设定温度的控温方法  68-71
  7.2 以注射机为例的各段等时到达设定温度控温方法的实现  71-72
  7.3 实验验证与节能效果  72-78
    7.3.1 实验设备  73-75
    7.3.2 实验结果分析  75-77
    7.3.3 节能效果  77
    7.3.4 应用前景  77-78
  7.4 本章小结  78-80
第八章结论和展望  80-82
  8.1 结论  80-81
  8.2 展望  81-82
参考文献  82-86
致谢  86-88
研究成果及发表的学术论文  88-90
作者及导师简介  90-91
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  91-92

注射机料筒电磁感应加热温度数学模型及数值模拟的研究

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