Специализированное программное обеспечение

   Индукционные нагревательные системы являются сложными техническими объектами, в которых протекают физические процессы различной природы. Без предварительного моделирования и создания фактически цифровых двойников невозможна разработка современных мощных индукционных нагревательных установок. В общем случае математическое описание таких объектов представляет собой систему детерминированных нелинейных дифференциальных и интегральных уравнений, записанных для многомерных и многосвязных областей. Если не вводить существенных упрощений в постановку задачи, то решение указанной системы уравнений, а значит и количественное описание изучаемых объектов может быть получено только с использованием численных методов посредством моделирования на вычислительной технике.

   Применение компьютеров при моделировании индукционных электротермических установок позволило существенно продвинуть теорию индукционного нагрева. Это связано с тем, что появилась реальная возможность не только исследовать отдельные аспекты и закономерности проявления электромагнитных, тепловых и других эффектов в устройствах индукционного нагрева, но и создавать комплексные модели, учитывающие неразрывную связь электромагнитных и тепловых процессов в нелинейных и многомерных областях загрузки индукционных электротермических устройств. В известном смысле можно говорить о том, что уровень развития моделирования индукционных нагревателей (ИН) и технологических процессов с использованием индукционного нагрева определяет уровень развития теории индукционного нагрева.  Ошибки в проектировании этих установок приводят к чрезвычайно неприятным и дорогостоящим последствиям. Поэтому без точного расчета электромагнитных и температурных полей при индукционном нагреве невозможно проектирование и управление сложными энергоемкими установками индукционного нагрева.

Программный комплекс Induction Heating (IndHeat)

Принцип  построения современных специализированных программ для ИН  показан на рисунке.  Препроцессор, как правило, оснащенный дружественным интерфейсом, служит для ввода данных о структуре нагревателя и режимах его работы. Блок расчета (реализует математическую модель), в современных программах, согласован с модулем визуализации, что позволяет исследователю делать выводы и принимать решения в течение вычислительного эксперимента. Очень важный блок управления отвечает за изменения режима работы во времени и дает возможность реализовывать нестационарные процессы, управляя моделью (загрузка, выгрузка деталей и т. д.). Этот блок позволяет использовать одну и ту же модель для различных технологических задач. Постпроцессор служит для визуализации результатов и максимального удобства работы с ними.

В случае необходимости оптимизации конструкции или режима работы индукционной системы используются различные блоки оптимизации. В настоящее время их реализуют как внешние управляющие программы, а не встраивают в основную модель.

2020-11-09_23-05-37.png

Это вызвано большим многообразием задач оптимизации, которые трудно учесть при создании программы, а также тем, что желательно применять параллельные и распределенные вычисления, для которых такой подход наиболее эффективен.

При разработке моделей для ИН целесообразно использовать модульный или объектно-ориентированный принципы. Это предполагает создание специализированной библиотеки стандартных подпрограмм для решения задач индукционного нагрева. На базе такой библиотеки можно легко и, самое главное, быстро конструировать новые модели, учитывающие различные режимы нагрева, а также те или иные особенности технологического процесса.

Программы, входящие в пакет Induction Heating (IndHeat):

  • CP1D – пространственно одномерная модель для расчетов индукционного нагрева цилиндрической загрузки, слябов, пластин, лент.

  • SS2D - пространственно двухмерная модель для расчетов индукционного нагрева слябов, пластин, лент.

  • Universal2D – пространственно двухмерная модель для расчета индукционного нагрева цилиндрических тел.

  • Universal3D – пространственно трехмерная модель для расчета индукционного нагрева слябов, блюмсов.

Использование двумерной постановки задачи для расчета нагрева осесимметричных заготовок в цилиндрических индукторах в большинстве случаев позволяет получать исчерпывающую информацию о процессе нагрева. Учет конечной длины индуктора и загрузки дает возможность оценить влияние важнейших конструктивных параметров индукторов и режимов нагрева на электромагнитные и тепловые характеристики индукционного нагревателя.

Программа UNIVERSAL 2D применяет комбинированный метод расчета, используя метод интегральных уравнений (МИУ) для решения внешней электрической (воздух и область индуктора) и  метод конечных разностей (МКР) для решения внутренней электротепловой (область заготовки) задач, которые связаны с помощью импедансных граничных условий.  В результате внешнего электрического расчета при заданном напряжении питания, токе или мощности цепи определяются полная активная мощность, полная реактивная мощность, активная мощность, выделяющаяся в загрузке, мощность потерь в индукторах, токи в индукторах, электрический КПД нагревателя, распределение напряженности магнитного поля на поверхности загрузки. Внутренний электротепловой расчет заключается в нахождении распределения температуры по длине и в поперечном сечении выходной заготовки при определенных граничных условиях на поверхности загрузки, которые задаются или из условия свободного теплообмена с окружающей средой, или с учетом футеровки. Одновременно рассчитываются общие тепловые потери и распределение температуры внутренней поверхности футеровки по длине нагревателя.

С помощью UNIVERSAL 2D пользователь без больших временных затрат и с достаточной расчетной точностью может получить все требуемые параметры индукционной системы. Расчет может производиться при любой степени выраженности поверхностного эффекта, встречающегося в практике сквозного индукционного нагрева заготовок из меди, алюминия, титана, их сплавов, магнитной и немагнитной стали и т. д. Предусматривается расчет нагревателей с секционированными многофазными индукторами, с обычным и автотрансформаторным включением обмоток.

Модель UNIVERSAL 3D основана на комбинации трех численных методов: МКЭ, МКР и МИУ.

Квазитрехмерная программа UNIVERSAL 3D предназначена для расчета электромагнитных и тепловых параметров индукционного нагрева ферромагнитных и немагнитных заготовок. Программа позволяет моделировать индукционный нагрев тел прямоугольного сечения и прямоугольного сечения со скруглением углов перед пластической деформацией, прокаткой, термообработкой и т. д.

Эта программа является расширением UNIVERSAL 2D для тел с прямоугольным сечением и предоставляет пользователю те же самые возможности. В UNIVERSAL 3D также можно моделировать различные типы нагревателей (периодический, методический и непрерывный), нестационарные режимы их работы (пуск, разгрузка) и моделировать всю технологическую линию термообработки металлов включая газовые печи и зоны транспортировки.

Все они позволяют моделировать электромагнитные и температурные поля в нагревателях периодического действия, непрерывных нагревателях, непрерывных с дискретным и с возвратно-поступательным движением загрузки.