Оптимальное управление температурными режимами индукционного нагрева цилиндрических слитков с учетом технологических ограничений

• Автор: Коршиков, Степан Евгеньевич
• Шифр специальности: 05.09.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 157 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА В ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА ДАВЛЕНИЕМ
1.1 Промышленное применение технологий электронагрева
1.2 Промышленное применение процессов сквозного индукционного нагрева заготовок перед пластической деформацией
1.3 Физические основы процесса индукционного нагрева
2 ПРОБЛЕМА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ
2.1 Основные методы и средства моделирования взаимосвязанных электромагнитных, тепловых полей и полей термических напряжений
2.2 Современное состояние проблемы моделирования полей термических напряжений в процессах индукционного нагрева
2.3 Проблема оптимизации процессов индукционного нагрева с учетом технологических ограничений
2.3.1 Критерии оптимизации процессов нагрева под пластическую деформацию
2.3.2 Современные методы оптимального проектирования и управления процессами индукционного нагрева с учетом технологических ограничений
3 НЕЛИНЕЙНЫЕ ДВУМЕРНЫЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК
3.1 Базовая математическая модель процесса индукционного нагрева
3.2 Численные модели процессов индукционного нагрева цилиндрических заготовок
3.2.1 Моделирование процесса индукционного нагрева металла в программном пакете АИБУБ
3.2.2 Численная двумерная нелинейная АИБУБ модель процесса индукционного нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока
3.2.3 Численная двумерная АИБУБ модель периодического процесса индукционного нагрева стальных цилиндрических заготовок
3.2.4 Параметрическое исследование численных нелинейных АХБУБ моделей
3.2.4.1 Исследование АИБУБ модели процесса индукционного нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока
3.2.4.2 Исследование АИБУБ модели периодического процесса индукционного нагрева стальных цилиндрических заготовок
3.3 Верификация численной нелинейной двумерной АКБУБ модели процесса индукционного нагрева стальных цилиндрических заготовок
4 ОПТИМАЛЬНОЕ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ И ТОЧНОСТИ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
4.1 Двумерная задача оптимального по быстродействию и точности управления процессом индукционного нагрева с учетом технологических ограничений
4.2 Решение задачи полубесконечной оптимизации альтернансным методом
4.3 Оптимизационная процедура на базе численной модели
4.4 Решение задачи оптимального по быстродействию и точности управления процессом индукционного нагрева с учетом технологических ограничений
4.4.1 Решение задачи индукционного нагрева алюминиевых цилиндрических заготовок посредством их вращения в магнитном поле постоянного тока
4.4.2 Решение задачи оптимального по быстродействию управления процессом индукционного нагрева стальных цилиндрических заготовок в переменном магнитном поле
4.5 Оценка эффективности алгоритмов оптимального управления и их техническая реализация
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Повсеместное распространение и повышение доступности электрической энергии привело к тому, что в настоящее время электротехнологические установки вытесняют собой установки, использующие другие виды энергии.
Установки промышленного электронагрева различного назначения и конструктивного исполнения в последнее время становятся неотъемлемой частью производственных процессов в ключевых отраслях промышленности. На этом фоне заметна тенденция увеличения парка промышленных установок для индукционного нагрева металлических заготовок токами промышленной и повышенных частот в прессовом, прокатном и кузнечном производствах. Как правило, индукционные нагревательные установки (ИНУ) являются частью сложной производственной линии, образующей единый электротехнологический комплекс по изготовлению готовой продукции в совокупности с установками пластической деформации. Именно поэтому повышение производительности ИНУ с одновременным гарантированным обеспечением требуемого качества полуфабрикатов является одним из основных путей увеличения эффективности электротехнологических комплексов обработки металлов давлением в целом.
Одним из основных условий реализации стадии предварительного сквозного нагрева является обеспечение с определяемой технологическими допусками точностью заданных температурных кондиций металлических полуфабрикатов при предотвращении появления недопустимых термонапряженных состояний заготовок. Решение проблемы оптимизации по типовым критериям качества температурных режимов индукционного нагрева с учетом ограничений на термонапряженные состояния позволит повысить производительность ИНУ при гарантированном отсутствии дефектов микроструктуры материала и различных видов брака конечной продукции, а также приведет к повышению эффективности энергопотребления.
Данная проблема может быть решена на базе современной теории оптимального управления системами с распределенными параметрами и методов и средств численного конечно-элементного анализа полевых задач.
В развитие теории и техники оптимизации температурных режимов индукционного нагрева перед обработкой давлением большой вклад внесли А.Г. Бутковский, Э.Я. Рапопорт, В.Б. Демидович, Л.С. Зимин, А.И. Данилушкин, A.C. Васильев, B.C. Немков, М.Ю. Лившиц и др.
Созданная H.A. Умовым общая теория термоупругих явлений была развита благодаря работам М.Н. Родигина, Г.И. Бабата, И.А. Одинга, С.П. Тимошенко, Дж. Гудьера, НЛО.

2 ПРОБЛЕМА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ
2Л Основные методы и средства моделирования взаимосвязанных электромагнитных, тепловых полей и полей термических напряжений
Задача моделирования процесса индукционного нагрева представляет собой сложную проблему, включающую анализ взаимосвязанных электромагнитных, тепловых и термомеханических явлений, обзор которых представлен в п. 1.3. Для проектирования установок индукционного нагрева, обеспечивающих отсутствие возникновения недопустимых термонапряженных состояний, необходим прочностной анализ совместно с решением электротепловой задачи. Современные методы проектирования и расчета индукционных нагревателей основаны на использовании электротепловых моделей различной степени точности, которые могут быть представлены как в аналитической форме, учитывающей существенные упрощения и допущения, так и в виде сложных взаимосвязанных нелинейных многомерных систем уравнений, решение которых может быть реализовано только численными методами и требует большого объема машинного времени даже при использовании современной вычислительной техники.
При этом уровень сложности решаемой инженерной задачи, требуемая точность моделирования и расчета, стоимость разработки и анализа проектируемой индукционной системы, а таюке допустимые временные затраты па проектирование и другие необходимые факторы определяют тип используемой модели и ее сложность.
Модель, разработанная для конкретного технологического применения с определенным набором ограничений и допущений, может быть неприменима для другой ситуации. Слишком грубые упрощения или неполный учет всех особенностей процесса может привести к некорректным моделям, которые в свою очередь не могут обеспечить требуемую точность моделирования. Любой вычислительный алгоритм позволяет получать лишь решение исходной системы уравнений с требуемой точностью, и основным этапом при математическом моделировании является выбор базовой теоретической модели, с требуемой степенью корректности описывающей исследуемый процесс [41,47,50,55,93,102]. В связи с этим для решения задач необходимо создание проблемно-ориентированных численных моделей процесса индукционного нагрева.
Используемые в 60х - 70-х годах XX века аналитические методы расчета электромагнитных и температурных полей в процессах индукционного нагрева не отвечают современным требованиям к точности и адекватности полученных результатов