發布日期：2022-04-17 點擊率：215
【導讀】工程師們都知道電磁兼容的定義和原理，甚至是如何避免電磁兼容的各種法子大家都可以說是了如指掌，但是電磁感應加熱是什么？在什么設計中會出現呢？如何去分析它？用什么分析？這些你知道嗎？不懂的就仔細的閱讀本文吧！
Marc在早期版本中已經提供了電磁感應熱的分析功能。利用這一功能，使用者可以模擬在特定頻率的電流激勵下線圈周圍的磁場變化并計算被加熱物體上的感應電流，從而進一步預測由于歐姆損耗導致的結構溫度變化，進一步耦合結構分析還可以預測結構上的應力分布、彈塑性變形、應變的變化等。
與此同時，結合Marc先進的網格重劃分技術和接觸體設置可以模擬結構和線圈具有相對運動時的磁場變化以及感應電流的生成。然而，由于分析不僅涉及結構和溫度場的計算，還包括電、磁等多物理場的分析，因此需要完整的進行包括結構以及周圍空氣在內的模型的創建。那么，當結構和線圈具有較大的相對運動時，針對空氣的網格進行重劃分就會顯著的增加分析的工作量甚至出現計算困難。因此在Marc最新版本中提供了最新的“雙重網格（dual mesh）”電磁感應熱分析功能，利用這一功能，在實現原有的感應熱分析外，還允許結構和周圍空氣分別采用獨立的網格，在結構和空氣網格出現重疊區域時，Marc自動應用結構部分的材料特性進行此區域的感應電流、溫度場、結構部分的計算。
這意味著使用者不再需要在結構運動時針對周邊空氣進行大范圍的網格重劃分計算，而是由程序根據結構的運動情況，自動判定與空氣重疊的部位，并對此部位賦予結構的全部材料特性進行計算。這一功能將大大的減少使用者進行感應熱分析的建模和計算工作量，尤其是對于復雜的模具結構進行感應加熱時，將大幅減少前處理工作中針對周邊空氣建模的工作量以及整體的分析時間。
下面將以六組環形線圈對中心管狀結構在軸向相對移動過程中所對應的感應熱問題為例，介紹在Marc中的定義方法和分析流程，基于結構的形狀等特點，將結構簡化為二維軸對稱模型。采用Marc最新的“雙重網格（dual mesh）”電磁感應熱分析功能分別對線圈、管狀結構、周圍空氣進行建模和定義，分析結構運動過程中感應電流、溫度等的變化情況。具體流程如下：
首先創建線圈、管狀結構、空氣的二維軸對稱模型，具體如下圖所示，其中采用最新的“雙重網格（dual mesh）”電磁感應熱分析功能，需要按照真實的結構形狀進行線圈和管狀結構部分的網格劃分，而空氣的網格可以獨立劃分，并且允許與結構部分存在重疊區域。由于趨膚效應存在，材料感應電流深度（即所謂的“趨膚深度”）對于加熱過程是極為重要的因素。為了正確的捕捉感應電流，需要對結構部分網格或者結構將會移動到的區域的網格進行足夠的細化。通常情況下，單元邊長需要小于趨膚深度（skin depth）。趨膚深度與激勵頻率（f）、磁導率（μ）、電導率（σ）相關，具體定義如下：
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分別針對空氣、線圈以及結構部分指定材料特性參數，本例中的空氣和線圈不參與溫度場以及結構的計算，僅需要指定電、磁相關的材料參數。結構件參與溫度場和結構的計算，因此需要指定全部電、磁、熱、結構部分的材料參數。并且各個材料參數需要考慮隨溫度的變化，尤其是金屬部件隨溫度變化的磁導率輸入，這是由于當達到curie溫度時，結構的相對磁導率會有顯著的下降，這會影響生成的熱流。
模型中線圈周邊的空氣以及與管狀結構具有重疊部分區域的空氣為滿足計算精度要求，需要采用相對較密的網格尺寸，外圍空氣可以采用漸疏的網格，并且范圍需要至少為結構部分范圍的5-10倍，以確保計算的準確性。這里將線圈、各個區域的空氣以及管狀結構分別指定到不同的接觸體中，這樣允許不同的接觸體交界處的網格是不協調的，方便進行網格的前處理。另外，模型中的空氣不需要考慮變形即結構部分的計算，因此在接觸體類型中指定為“0 剛度”接觸體，而管狀結構指定為可變形體，具體定義如下圖所示，包含了6個線圈接觸體、內外三部分空氣接觸體以及管狀結構接觸體，共10個接觸體。根據各個接觸體的位置指定接觸關系為touch，例如外圍空氣與內部上、下兩部分空氣間、內部空氣與線圈間、內部上下空氣間。
假定結構的初始溫度為室溫20°，管狀結構的軸線上指定軸向強迫運動以及徑向約束。空氣邊緣需要指定固定電勢（0）、磁勢（0）邊界約束。在線圈上指定簡諧電流輸入，對于本例中的軸對稱模型可以指定為體積電流輸入，對應線圈圓周方向連續的橫截面電流值。當然模型還可以進一步考慮結構與空氣間的對流換熱以及輻射等熱邊界條件。這里不做詳述。
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模型中考慮25秒加熱、停止加熱（保溫10秒）兩個階段，其中加熱階段電流激勵頻率為10000Hz，在Marc中針對兩個階段指定（dual mesh）magnetodynamic/thermal/structrual類型分析工況，并在任務參數中指定輸出必要的結果信息，例如：磁感應分量（實、虛）、電流密度分量（實、虛）、溫度、電流、生熱等。遞交Marc分析后可以得到加熱結束時結構的溫度分布云圖
備注：
采用傳統方法創建的模型如下圖所示（局部放大），該模型中內部空氣的網格作為一個接觸體存在，并且在與線圈和管狀結構交界的部位通過接觸體間的接觸關系定義，同時管狀結構的移動導致空氣網格的變化，通過Marc的網格重劃分技術實現：
采用傳統方法創建模型計算得到的加熱結束時的溫度分布，通過對比可知兩種方法得到的溫度分布是一致的，而dual mesh方法實現起來更為簡便：
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