【導(dǎo)讀】工程師們都知道電磁兼容的定義和原理，甚至是如何避免電磁兼容的各種法子大家都可以說是了如指掌，但是電磁感應(yīng)加熱是什么？在什么設(shè)計(jì)中會出現(xiàn)呢？如何去分析它？用什么分析？這些你知道嗎？不懂的就仔細(xì)的閱讀本文吧！
Marc在早期版本中已經(jīng)提供了電磁感應(yīng)熱的分析功能。利用這一功能，使用者可以模擬在特定頻率的電流激勵下線圈周圍的磁場變化并計(jì)算被加熱物體上的感應(yīng)電流，從而進(jìn)一步預(yù)測由于歐姆損耗導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)溫度變化，進(jìn)一步耦合結(jié)構(gòu)分析還可以預(yù)測結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布、彈塑性變形、應(yīng)變的變化等。
與此同時，結(jié)合Marc先進(jìn)的網(wǎng)格重劃分技術(shù)和接觸體設(shè)置可以模擬結(jié)構(gòu)和線圈具有相對運(yùn)動時的磁場變化以及感應(yīng)電流的生成。然而，由于分析不僅涉及結(jié)構(gòu)和溫度場的計(jì)算，還包括電、磁等多物理場的分析，因此需要完整的進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)以及周圍空氣在內(nèi)的模型的創(chuàng)建。那么，當(dāng)結(jié)構(gòu)和線圈具有較大的相對運(yùn)動時，針對空氣的網(wǎng)格進(jìn)行重劃分就會顯著的增加分析的工作量甚至出現(xiàn)計(jì)算困難。因此在Marc最新版本中提供了最新的“雙重網(wǎng)格（dual mesh）”電磁感應(yīng)熱分析功能，利用這一功能，在實(shí)現(xiàn)原有的感應(yīng)熱分析外，還允許結(jié)構(gòu)和周圍空氣分別采用獨(dú)立的網(wǎng)格，在結(jié)構(gòu)和空氣網(wǎng)格出現(xiàn)重疊區(qū)域時，Marc自動應(yīng)用結(jié)構(gòu)部分的材料特性進(jìn)行此區(qū)域的感應(yīng)電流、溫度場、結(jié)構(gòu)部分的計(jì)算。
這意味著使用者不再需要在結(jié)構(gòu)運(yùn)動時針對周邊空氣進(jìn)行大范圍的網(wǎng)格重劃分計(jì)算，而是由程序根據(jù)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動情況，自動判定與空氣重疊的部位，并對此部位賦予結(jié)構(gòu)的全部材料特性進(jìn)行計(jì)算。這一功能將大大的減少使用者進(jìn)行感應(yīng)熱分析的建模和計(jì)算工作量，尤其是對于復(fù)雜的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行感應(yīng)加熱時，將大幅減少前處理工作中針對周邊空氣建模的工作量以及整體的分析時間。
下面將以六組環(huán)形線圈對中心管狀結(jié)構(gòu)在軸向相對移動過程中所對應(yīng)的感應(yīng)熱問題為例，介紹在Marc中的定義方法和分析流程，基于結(jié)構(gòu)的形狀等特點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)簡化為二維軸對稱模型。采用Marc最新的“雙重網(wǎng)格（dual mesh）”電磁感應(yīng)熱分析功能分別對線圈、管狀結(jié)構(gòu)、周圍空氣進(jìn)行建模和定義，分析結(jié)構(gòu)運(yùn)動過程中感應(yīng)電流、溫度等的變化情況。具體流程如下：
首先創(chuàng)建線圈、管狀結(jié)構(gòu)、空氣的二維軸對稱模型，具體如下圖所示，其中采用最新的“雙重網(wǎng)格（dual mesh）”電磁感應(yīng)熱分析功能，需要按照真實(shí)的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行線圈和管狀結(jié)構(gòu)部分的網(wǎng)格劃分，而空氣的網(wǎng)格可以獨(dú)立劃分，并且允許與結(jié)構(gòu)部分存在重疊區(qū)域。由于趨膚效應(yīng)存在，材料感應(yīng)電流深度（即所謂的“趨膚深度”）對于加熱過程是極為重要的因素。為了正確的捕捉感應(yīng)電流，需要對結(jié)構(gòu)部分網(wǎng)格或者結(jié)構(gòu)將會移動到的區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行足夠的細(xì)化。通常情況下，單元邊長需要小于趨膚深度（skin depth）。趨膚深度與激勵頻率（f）、磁導(dǎo)率（μ）、電導(dǎo)率（σ）相關(guān)，具體定義如下：
分別針對空氣、線圈以及結(jié)構(gòu)部分指定材料特性參數(shù)，本例中的空氣和線圈不參與溫度場以及結(jié)構(gòu)的計(jì)算，僅需要指定電、磁相關(guān)的材料參數(shù)。結(jié)構(gòu)件參與溫度場和結(jié)構(gòu)的計(jì)算，因此需要指定全部電、磁、熱、結(jié)構(gòu)部分的材料參數(shù)。并且各個材料參數(shù)需要考慮隨溫度的變化，尤其是金屬部件隨溫度變化的磁導(dǎo)率輸入，這是由于當(dāng)達(dá)到curie溫度時，結(jié)構(gòu)的相對磁導(dǎo)率會有顯著的下降，這會影響生成的熱流。
模型中線圈周邊的空氣以及與管狀結(jié)構(gòu)具有重疊部分區(qū)域的空氣為滿足計(jì)算精度要求，需要采用相對較密的網(wǎng)格尺寸，外圍空氣可以采用漸疏的網(wǎng)格，并且范圍需要至少為結(jié)構(gòu)部分范圍的5-10倍，以確保計(jì)算的準(zhǔn)確性。這里將線圈、各個區(qū)域的空氣以及管狀結(jié)構(gòu)分別指定到不同的接觸體中，這樣允許不同的接觸體交界處的網(wǎng)格是不協(xié)調(diào)的，方便進(jìn)行網(wǎng)格的前處理。另外，模型中的空氣不需要考慮變形即結(jié)構(gòu)部分的計(jì)算，因此在接觸體類型中指定為“0 剛度”接觸體，而管狀結(jié)構(gòu)指定為可變形體，具體定義如下圖所示，包含了6個線圈接觸體、內(nèi)外三部分空氣接觸體以及管狀結(jié)構(gòu)接觸體，共10個接觸體。根據(jù)各個接觸體的位置指定接觸關(guān)系為touch，例如外圍空氣與內(nèi)部上、下兩部分空氣間、內(nèi)部空氣與線圈間、內(nèi)部上下空氣間。
假定結(jié)構(gòu)的初始溫度為室溫20°，管狀結(jié)構(gòu)的軸線上指定軸向強(qiáng)迫運(yùn)動以及徑向約束。空氣邊緣需要指定固定電勢（0）、磁勢（0）邊界約束。在線圈上指定簡諧電流輸入，對于本例中的軸對稱模型可以指定為體積電流輸入，對應(yīng)線圈圓周方向連續(xù)的橫截面電流值。當(dāng)然模型還可以進(jìn)一步考慮結(jié)構(gòu)與空氣間的對流換熱以及輻射等熱邊界條件。這里不做詳述。
模型中考慮25秒加熱、停止加熱（保溫10秒）兩個階段，其中加熱階段電流激勵頻率為10000Hz，在Marc中針對兩個階段指定（dual mesh）magnetodynamic/thermal/structrual類型分析工況，并在任務(wù)參數(shù)中指定輸出必要的結(jié)果信息，例如：磁感應(yīng)分量（實(shí)、虛）、電流密度分量（實(shí)、虛）、溫度、電流、生熱等。遞交Marc分析后可以得到加熱結(jié)束時結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖
備注：
采用傳統(tǒng)方法創(chuàng)建的模型如下圖所示（局部放大），該模型中內(nèi)部空氣的網(wǎng)格作為一個接觸體存在，并且在與線圈和管狀結(jié)構(gòu)交界的部位通過接觸體間的接觸關(guān)系定義，同時管狀結(jié)構(gòu)的移動導(dǎo)致空氣網(wǎng)格的變化，通過Marc的網(wǎng)格重劃分技術(shù)實(shí)現(xiàn)：
采用傳統(tǒng)方法創(chuàng)建模型計(jì)算得到的加熱結(jié)束時的溫度分布，通過對比可知兩種方法得到的溫度分布是一致的，而dual mesh方法實(shí)現(xiàn)起來更為簡便：
