Численное моделирование и оптимальное управление процессами индукционного нагрева цилиндрических заготовок под обработку давлением

• Автор: Шарапова, Ольга Юрьевна
• Шифр специальности: 05.13.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 178 с. : ил.

Введение
1 Проблема создания и оптимального управления многомерными моделями индукционного нагрева металла под обработку давлением.

1.1 Промышленное применение процессов индукционного нагрева под обработку давлением.

1.1.1 Физические основы процессов индукционного нагрева.

1.1.2 Промышленное применение процессов сквозного индукционного

нагрева

1.1.3 Проектирование установок для сквозного индукционного нагрева

1.1.4 Технологические и экономические преимущества индукционного нагрева

1.2 Проблема математического моделирования процессов индукционного нагрева под обработку давлением.
1.2.1 Основные методы и средства моделирования взаимосвязанных электромагнитных и тепловых полей

1.2.2 Современное состояние проблемы моделирования процессов индукционного нагрева.

1.2.3 Обзор программных пакетов, применяемых для численного моделирования электромагнитных и тепловых нолей.
1.3 Проблема оптимизации процессов индукционного нагрева под обработку давлением.
1.3.1 Критерии оптимизации процессов нагрева под пластическую деформацию.
1.3.2 Современные методы оптимального проектирования и управления процессами индукционного нагрева
2 Многомерные математические модели процесса индукционного нагрева
2.1 Базовая математическая модель процесса индукционного нагрева.
2.2 Численные модели процессов индукционного нагрева цилиндрических заготовок
2.2.1 Моделирование процессов индукционного нагрева в программном пакете X.
2.2.2 Численная двумерная X модель периодического процесса индукционного нагрева.
2.2.3 Численная двумерная X модель процесса индукционного нагрева в установке с непрерывным движением заготовок
2.2.4 Принцип работы и основные возможности процессора и постпроцессора X.
2.2.5 Параметрическое исследование численных нелинейных X
моделей.
2.2.5.1 Исследование X модели процесса периодического индукционного нагрева.
2.2.5.2 Исследование X модели ИНУ с непрерывным движением заготовок.
2.2.6 Сравнительный анализ результатов моделирования в программных продуктах и X на примере проходной ИНУ.
2.2.7 Сравнительный анализ результатов численного моделирования и экспериментальных данных
3 Оптимальное управление многомерными моделями периодического процесса индукционного нагрева
3.1 Двумерная задача оптимального по быстродействию управления процессом индукционного нагрева металла
3.1.1 Постановка задачи оптимального по быстродействию управления двумерными численными моделями
3.1.2 Решение задачи полубесконечной оптимизации альтернансным
методом.
3.1.2.1 Решение ЗОУ для случая е0 епп
3.1.2.2 Решение ЗОУ для случая е0 еп.ЮЗ
3.1.2.3 Решение ЗОУ для случая е0
3.1.3 Общий апгоритм решения задачи параметрической оптимизации.
3.1.4 Оптимальное по быстродействию управление процессом нагрева с
учетом фазовых ограничений.
3.2 Двумерная задача оптимального управления процессом периодического магрева по критерию минимума расхода энергии.
3.2.1 Постановка и решение задачи оптимального по минимуму расхода энергии управления двумерными численными моделями
3.2.2 Решение ЗПО альтернансным методом
3.2.2.1 Решение ЗОУ для случая бг0
3.2.2.2 Решение ЗОУ для случая 0
3.2.2.3 Решение ЗОУ для случая п е0
3.2.2.4 Влияние величины заглубления заготовки в индукторе на результирующее температурное распределение.
3.2.2.5 Оценка оптимальных алгоритмов по техникоэкономическим показателям
3.3 Совместное решение ЗОУ по критериям быстродействия и расхода
энергии.
4 Оптимальное управление многомерными моделями стационарных режимов непрерывного индукционного нагрева
4.1 Двумерная задача оптимального проектирования проходной индукционной
нагревательной установки
4.1.1 Постановка и решение задачи оптимального проектирования проходной ИНУ
4.1.2 Проектирование односекционного нагревателя минимальной длины
4.1.3 Проектирование двухсекционного нагревателя минимальной длины
4.1.4 Проектирование нагревателя минимальной длины с заданной
точностью.
4.2 Двумерная задача оптимального по энергосбережению управления процессом непрерывного нагрева
4.2.1 Постановка и решение задачи оптимального по минимуму расхода энергии управления двумерной численной моделью проходной ИНУ.
4.2.1.1 Решение ЗОУ для случая е0 сЩ
4.2.1.2 Решение ЗОУ для случая 0 кЩ
4.2.1.3 Решение ЗОУ для случая е0
4.2.2 Оценка оптимальных алгоритмов по техникоэкономическим показателям.
Заключение
Библиографический список.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


При этом традиционные методы нагрева, при которых энергию получают подводом тепла извне в результате сжигания ископаемых горючих материалов, таких как нефть и газ, конкурируют с электрическими методами, осуществляющими нагрев путм генерации тепла непосредственно в металле и представленными индукционным и прямым резистивным нагревом, а также косвенным нагревом в электрических печах сопротивления. В данной диссертационной работе формулируются и решаются задачи оптимального управления ЗОУ процессом индукционного нагрева металла перед последующими операциями пластической деформации. Далее рассматриваются основные технологические и экономические преимущества данного метода нагрева относительно традиционных технологий термообработки п. Процессы индукционного нагрева реализуются в результате сложного многофакторного взаимодействия электромагнитного и температурного полей ,,5. В установках индукционного нагрева металлические заготовки подвергаются воздействию переменного электромагнитного поля кагушки с электрическим током, называемой индуктором. Энергия, поступающая ог источника питания, преобразуется в энергию магнитного поля, которая, поглощаясь проводящей загрузкой, превращается в тепловую энергию джоулево тепло. При этом в заготовке индуцируются вихревые токи, нагревающие ее материал. Мощность, выделяющаяся в проводнике при индукционном нагреве, зависит от размеров и физических свойств проводника, а также от частоты и напряжнности электромагнитного поля . Основными компонентами системы индукционного нагрева являются индуктирующая обмотка индуктор, чаще всего цилиндрической формы, источник питания переменного напряжения, нагреваемая заготовка рис. Основные электромагнитные явления в процессе индукционного нагрева Процессы распространения электромагнитного поля при индукционном нагреве хорошо изучены и подробно описаны в литерату ре , , 5,7. При питании обмотки индуктора переменным током вокруг него создается переменное электромагнитное поле, параметры которого существенно зависят от величины и частоты питающего тока, геометрии обмотки и расстояния от индуктора. Переменное магнитное поле возбуждает в заготовке, расположенной внутри индуктора, вихревые токи той же частоты, но противоположного направления, которые, в свою очередь, создают в заготовке свое магнитное поле, направленное противоположно магнитному полю индуктора. Результирующее магнитное поле нагревателя образуется суммированием магнитных полей индуктора и вихревых токов. Индуцированный
Рисунок 1. Джоуля Ленца. Способность материала проводить электрический ток обычно характеризуется значением а его электропроводимости. Обратная по отношению к ст величина представляет собой удельное электрическое сопротивление р. Все металлы являются хорошими проводниками и обладают значительно меньшим электрическим сопротивлением по сравнению с другими материалами. Электрическое сопротивление каждого металла изменяется в зависимости от температуры как правило, увеличивается с ее возрастанием, химического состава, микроструктуры и других факторов. Электрическое сопротивление р является важнейшим физическим свойством нагреваемого материала, влияющим практически на все основные параметры системы индукционного нагрева, включая толщину нагреваемого слоя, электрический к. Способность металла проводить в большой степени, чем вакуум, магнитный поток ИЛИ ПОТОК электрического НОЛЯ определяется относительными величинами магнитной Цг и диэлектрической с проницаемости соответственно. Именно величина рг в первую очередь определяет все основные особенности процесса индукционного нагрева, методику расчета индуктора и способы вычисления пространственновременного распределения электромагнитного поля. Константы р о и с 0 представляют собой соответствующие величины магнитной и диэлектрической проницаемостей вакуума. В зависимости от значения рг все материалы подразделяются на парамагнитные рг 1, диамагнитные р, и ферромагнитные р, 1. В первых двух случаях р г мачо отличается от единицы, и в практике индукционного нагрева эти материалы называются немагнитными. К их числу относятся алюминий, медь, титан, вольфрам и др. Ферромагнитные свойства материала являются сложной функцией его микроструктуры, химсостава, частоты питающего тока, интенсивности магнитного поля и температуры. Температура, при которой ферромагнитный материал становится немагнитным, называется точкой или температурой Кюри.