Nagrzewnice indukcyjne - optymalizacja układów grzejnych wzbudnik-wsad z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych - MES

Nowoczesnym praktycznym narzędziem wykorzystywanym w grzejnictwie indukcyjnym są symulacje komputerowe. Pozwalają projektować optymalne systemy, udoskonalać urządzenia, istotnie redukować czas i koszty, lepiej zrozumieć dynamikę procesu itp.

2017.01.18 przez Dział Marketingu

Jedną z najszerzej stosowanych metod numerycznych przy projektowaniu układów grzejnych wzbudnik-wsad jest Metoda Elementów Skończonych (MES). W dużym uproszczeniu polega na podziale rozpatrywanego obszaru ciągłego na skończoną liczbę podobszarów (tworzenie siatki), a następnie na poszukiwaniu i znalezieniu rozwiązania przybliżonego w podobszarach. Rozwiązanie w dowolnym punkcie przestrzeni uzyskuje się na zasadzie interpolacji otrzymanych wyników.

W grzejnictwie indukcyjnym najczęściej wykorzystywanymi programami na bazie MES są programy FLUX2D/3D, ANSYS oraz QuickField.

W Instytucie Spawalnictwa przy analizie zjawisk termicznych i elektromagnetycznych, głównie przy konstrukcji wzbudników, stosowane jest oprogramowanie Flux2D/3D.

Wybór sposobu analizy 2D lub 3D musi być dokonany na początku procesu modelowania i wymaga od projektanta dużego doświadczenia.

Analiza 2D

Przy modelowaniu z wykorzystaniem oprogramowania 2D wykorzystywane są modele, dla których możliwa jest redukcja pełnego modelu fizycznego do modelu dwuwymiarowego, przy przyjęciu możliwych do zaakceptowania uproszczeń (modele osiowo-symetryczne wykorzystujące jedną oś symetrii - geometria zdefiniowana dla połowy modelu fizycznego lub dwie osie symetrii - geometria zdefiniowana dla ćwiartki modelu fizycznego oraz układy planarne nie wykorzystujące osi symetrii).

Model osiowo-symetryczny 2D

Widok obiektu oraz geometrii i siatki modelu osiowo-symetrycznego ze wsadem stalowym, walcowym i wzbudnikiem 1-zwojnym: (Model Wz07-2D)

Rozkład temperatury we wsadzie stalowym na różnych etapach nagrzewania (stan odpowiednio po 1, i 9,8 s) dla modelu Wz07-2D

Obiekty pośrednie 2D/3D są to takie obiekty, które z geometrycznego punktu widzenia mogą być opisane jako obiekty planarne, ale z fizycznego punktu widzenia należy przeprowadzić dokładną analizę.

Analiza 3D

Analiza 3D dotyczy obiektów, których geometria jest dowolna, czyli tzw. układów "silnie" trójwymiarowych (hartowanie kół zębatych, zgrzewanie indukcyjne, wiele przypadków lutowania itp.). Ma ona również zastosowanie w sytuacji, gdy uproszczenia symulacji 2D uniemożliwiają osiągnięcie dokładnych wyników, lub gdy ze względu na nietypowe zjawiska fizyczne nie można zastosować analizy 2D (obiekty pośrednie 2D/3D) oraz gdy istotne są efekty brzegowe, krawędziowe, doprowadzenia i inne zaburzenia symetrii.

Model 3D