论文导读:：其所占曲轴转角则会随转速有较大变化。感应加热在曲轴红套工艺中的应用研究。
论文关键词：感应加热，曲轴，红套，温度场，ANSYS，数值仿真
0 引言
在大型低速船用柴油机中，曲轴由于其整体质量巨大，往往采用半组合式结构，主轴颈和曲臂通过红套工艺拼接在一起。所谓红套，就是将曲臂加热至一定温度，使孔径扩大，然后将常温下的主轴颈套入孔中，待冷却后，由于主轴颈和曲臂孔之间的过盈配合产生夹紧力，使之成为能承受所需负荷的结合体[1]。
 在曲轴红套工艺中，传统的加热方式多以燃气为能源，不仅造成被加热部位表面积炭和严重氧化，而且燃气加热时间长，加热变形量难于控制[2]。基于电磁感应定理和焦耳-楞次定理的感应加热技术ANSYS，因其为非接触加热方式，在加热过程中不易渗入杂质，工件材料烧损小，氧化皮生成少，加热速度快，效率高，能耗低，且加热过程易于实现自动控制，自20世纪80年代以来，该加热技术在我国得到了迅速发展，已广泛应用于金属材料的熔炼铸造、透热锻造、热处理、焊接、烧结等方面。但将感应加热用于曲轴红套工艺目前却鲜有相关文献报道，其主要原因在于曲臂孔外围为非对称结构，通过在曲臂孔内侧布置单一的圆形线圈实施感应加热，曲臂孔邻近区域将形成不均匀的温度场和热变形，最终无法达到所需的红套工艺质量。为了将感应加热技术成功应用于曲轴红套工艺，本文建议，在曲臂孔内侧布置一个圆形线圈的同时，在位于曲臂孔与曲柄销之间的曲臂外围再布置一个矩形线圈，只要两个线圈有关参数设置合理，就可以确保曲臂孔受热均匀。为此，必须对曲臂孔在给定线圈参数条件下的温度场分布情况进行研究，以得到最优的参数匹配。由于感应加热本身是一个复杂的物理过程，涉及电、磁、热、相变、力学等方面的综合知识，至今仍无一个完整的耦合理论可以用数学方法来精确描述它论文怎么写。因此，必须借助数值仿真与试验的方法以探析为获取理想的曲臂孔温度场所应设置的线圈参数。
有关工件感应加热的数值仿真，国内外学者做了大量的工作[3-10]。在现有研究文献中，往往多以几何形状简单的圆柱体或平板工件为研究对象，实际的空间三维问题被简化为平面二维甚至一维问题。在本文中，将以形状不规则的实际曲臂三维实体模型为研究对象ANSYS，并考虑材料相对磁导率、热导率、电阻、焓等物理参数随温度的变化情况，利用ANSYS软件对假定线圈参数条件下曲臂孔的温度分布及变形情况进行数值仿真，最终得出曲轴红套感应加热的最优线圈工艺参数。
1 感应加热的理论基础
感应加热实质是利用电磁感应在导体内产生的涡流发热来加热工件的一种电加热方式，其基本原理可归结为电磁感应定理和焦耳-楞次定理。
电磁感应定理可表述为：当穿过任一闭合回路所限制的面的磁通量f 随时间发生变化时，在回路上就会产生感应电动势e：
 (1)
感应电动势使工件导体中产生涡流i，进而产生焦耳热Q。这一过程可以用焦耳-楞次定理来描述：
 (2)
其中，R为导体的电阻（W）；t为电流通过导体的时间（s）。
根据麦克斯韦微分方程组，通过引入矢量磁势 和标量电势 ，经推导得知，感应加热时，工件导体中的涡流由以下控制方程确定[9]
 (3)
 (4)
 （5）
其中， －Hamilton算子；
 －磁导率（H/m）；
 －电导率（1/Wm）；
 －源电流密度矢量（A/m2）；
 －感应涡流密度矢量（A/m2）。
对方程（3）、（5），在涡流区 ，在非涡流区 。
在此基础上，根据能量守恒定律，单位时间内工件因涡流获取的内能应等于单位时间内工件内能的增加，经推导，得感应加热过程中工件的温度场控制方程，如方程（6）所示。
 （6）
其中，
l－热导率（W/mK）；
T－温度场分布函数（K）；
 －材料密度（kg/m3）；
c－材料比热容（J/kgK）。
2 曲臂感应加热的数值仿真
2.1加热方案的拟定
曲臂是一个形状不规则的几何体，当仅在曲臂孔内侧布置一个圆形感应线圈时，由于曲臂孔上方有更多的金属介质，将会导致热量相对较快地转移，从而造成曲臂孔温度场分布不均，影响红套工艺质量。为此，在曲臂孔与曲柄销之间的曲臂外围再增设一个矩形线圈，以补偿曲臂孔上方传热过快引起的温升损失，由此可得如图1所示曲臂感应加热线圈布置方案图。考虑到曲臂结构的对称性，为减少计算工作量ANSYS，在图1中仅取曲臂的一半作为分析对象。
图1 曲臂感应加热线圈布置方案图
Fig.1 The layout diagram of coil forinduction heating of crank cheek
2.2数值仿真模型的建立
2.2.1 计算模型的构成
在建立曲臂感应加热数值仿真模型时，考虑到工件端面存在磁力线逸散而产生所谓的边缘效应，需对工件周围的空气进行建模。本文以一个半径为6m、高度为10m的圆柱体模拟曲臂外围的空气，以确保空气体外表面近似满足磁力线平行条件论文怎么写。图2给出了包含曲臂、线圈和周围空气的完整计算模型，为了便于观察，这里给出的是透视图。
2.2.2 单元类型的选择
本文采用ANSYS软件中的间接耦合法
图2 计算模型透视图
Fig.2 The perspectiveview of simulation model
求解电磁场与温度场，以及温度场与应力应变场的耦合问题。在电磁场分析部分，曲臂、线圈与空气体均采用SOLID117单元；温度场分析部分，只需对曲臂温度进行分析，曲臂采用SOLID90单元，此外，考虑到曲臂表面辐射散热，拟选用SURF152表面效应单元模拟之；最后，采用SOLID95单元对曲臂进行应力应变场的分析。
2.2.3 网格划分
在数值仿真工作中，网格划分的质量直接影响到计算工作量的大小以及计算结果的精确性。由于感应加热时曲臂涡流分布具有明显的集肤效应，透入深度d（单位：m）可用以下公式进行计算[10]
 (7)
其中，g－材料电阻率（Wm）；
f－感应加热频率（Hz）。
为确保计算精度，在透入深度以内，单元尺寸的大小不得超过透入深度的数值，同时，为了减少计算量，网格密度从表面到中心应逐渐递减。根据上述网格划分原则，系统经网格划分后的单元总量为166875，节点总数为371926。
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