船体钢板感应加热感应器的设计与温度场数值模拟研究

摘要

在船舶建造过程中，很大一部分工作是船体双曲率外板的加工制造。随着造船业的发展，船体曲板加工的质量和效率会显著影响整个船舶的整体制造周期，进而影响建造成本。目前，船厂普遍采用水火弯板方式来加工双曲度外板。这种方法利用氧气和乙炔燃烧产生的热量作为热源，但是具有加工质量不稳定、加热成型效率低、污染严重等缺点。电磁感应加热基本原理是：在钢板上方的线圈中通入高频交流电，该交流电在钢板内部产生高频电磁场，高频电磁场感生出感应电流，感应电流产生焦耳热，焦耳热对钢板进行加热，从而使钢板产生塑性变形。电磁感应加热有以下优点：电能利用率很高；加热范围比较小，因此可以精确控制加热区域；不会对环境造成污染。所以电磁感应加热热源作为新的热源可以替代氧-乙炔焰。本文利用ANSYS软件对船体外板的电磁感应加热过程进行仿真模拟，主要研究了以下几个方面的内容。
　　（1）分析了电磁场的基本理论，包括感应加热所特有的涡流分布特性、麦克斯韦基本方程组。另外，引入复矢量位将麦克斯韦方程组进行简化，介绍了感应加热的有限元求解方法。
　　（2）分析利用ANSYS软件对电磁场和温度场进行数值模拟的方法，以及温度场和电磁场耦合计算的原理与实现方法。
　　（3）研究了影响单回线型感应器的加热效果的主要横截面参数。通过对比分析，得到单回线感应器最优比例系数曲线，该曲线对感应器尺寸的选取具有十分重要的参考价值。
　　（4）运用ANSYS进行数值模拟，研究了磁场强度在板长和板厚方向的分布规律，以及电流密度、电流频率、感应器与钢板之间间距对磁场强度的影响。另外重点分析了二维和三维温度场分布规律，分析了电流密度、电流频率、感应器与钢板之间间距等因素与温度场分布的关系。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题的研究背景

1.2感应加热的优势

1.3国内外研究现状

1.4本文主要研究内容

1.5本章小结

第2章 电磁感应加热基本原理

2.1感应加热特性分析

2.2电磁场计算物理模型

2.3温度场计算物理模型

2.4本章小结

第3章 基于ANSYS的电磁场及与温度场耦合方法

3.1实体模型

3.2 电磁场分析方法

3.3温度场与电磁场的耦合分析方法

3.4 本章小结

第4章 电磁感应加热感应器尺寸优化研究

4.1感应器材料和横截面形式的选取

4.2影响加热效果的感应器参数研究

4.3感应器比例系数变化规律研究

4.4本章小结

第5章 基于ANSYS的感应加热磁场和温度场分布规律

5.1二维磁场分布规律分析

5.2感应加热二维温度场分析

5.3三维温度场分布规律研究

5.4本章小结

第6章 总结与展望

6.1论文研究工作总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文