感应加热是工程中常见的工艺方法,其典型的应用场景有焊接、热处理、弯板成形和矫形等。但感应加热工艺是一种涉及磁场、温度场、变形场的复杂过程,需要采用多物理场耦合数值模拟技术来辅助这一过程。目前常见的磁-热-固耦合不考虑变形场对后续电磁场的影响,不能满足感应加热应用场合的要求;另外,磁-热-固耦合对网格要求苛刻,难于满足生产现场分析计算,需要简化磁-热-固耦合分析模型。据此本文开发了一种针对感应加热的磁-热-固全耦合数值模拟方法,并提出一种基于磁-热-固耦合数值模拟构建等效热源以简化耦合分析的方法。为此进行了以下工作:(1)磁-热-固全耦合数值模拟方法的开发针对感应加热工艺,在磁-热双向耦合的基础上,通过网格随移的方法,将变形场产生的节点位移保留在耦合分析的通用数据库中,从而将变形传递到磁分析,建立起磁-热-固全耦合模型,用于研究感应加热变形对后续成形的影响。通过全耦合模型与非全耦合模型计算结果对比,验证了开发的感应加热磁-热-固全耦合数值模拟方法的有效性,为工程中感应加热过程的数值计算提供了一个新的工具。(2)基于磁-热-固耦合的感应加热等效热源构建方法研究由于磁分析、双向耦合和部件相对移动对网格划分的苛刻要求,在计算大规模网格模型时,磁-热-固耦合费时费力,无法满足工厂现场计算的要求,因此,开发高效构建等效热源的方法很有必要。通过利用本文开发的磁-热-固耦合数值模拟方法对局部精确模型进行感应加热分析,掌握了感应加热的机理及影响因素,发现可以将感应热源简化为等效面热源,在此基础上开发了基于磁-热-固耦合模型构建等效热源的方法。(3)感应加热弯板成形数值模拟研究针对“IHIMU-α”自动感应加热弯板成形系统的常用感应器,用(2)中提出的方法研究热源与加热工艺参数之间的关系。通过引入四个无量纲数,拟合得到感应器的等效热源与加热参数的关系数学模型;用数学模型计算得到工艺条件下的等效热源;采用等效热源的热-固耦合数值模拟方法对感应加热弯板成形过程进行了模拟计算,模型计算结果与试验数据符合良好,且相对传统磁-热-固耦合法,大幅减少了计算时间,能满足现场分析的要求。(4)感应加热活塞热疲劳试验数值模拟研究本研究以感应加热模型的铝合金活塞热疲劳试验平台为研究对象,采用(2)中提出的等效热源构建方法获得铝合金活塞感应加热等效热源,并对活塞热疲劳试验进行数值分析,热分析模拟计算的温度循环结果与活塞热疲劳分析试验平台得到的试验数据符合良好;热-固耦合有限元分析,得到了易出现热疲劳裂纹的活塞喉口处的拘束率。通过开发的基于等效热源构建模型得出拘束率的方法和建立的热疲劳试验平台,为拘束率-疲劳寿命模型的使用提供技术支撑。