基于Maxwell与Transient Thermal模块的感应加热数值模拟

关键词：感应加热；电磁场；Maxwell；涡流效应；多物理场耦合

感应加热是一种利用电磁感应原理，通过交变电流在金属工件中产生涡流使其加热的过程。感应加热技术在金属热处理、焊接、熔化以及表面淬火等领域发挥着至关重要的作用，尤其是在汽车制造、航空航天、能源设备等高精尖技术领域中得到了广泛应用。感应加热的过程受到电磁场分布和材料特性等多种因素的影响，因而对其进行精确的仿真研究，是提升工艺效率和产品质量的重要手段。

本文采用ANSYS Maxwell与Transient Thermal模块对感应加热过程进行了仿真模拟，通过多物理场耦合分析，对感应加热系统的温度场与电磁场进行了精确描述，全面展示了感应加热过程中的热效应及其影响因素。通过数值模拟的方法，不仅可以直观地分析工件在不同加热条件下的温度分布，还能对加热线圈的设计及参数优化提供科学的依据，从而实现更高效的加热效果。

图1 感应加热炉膛内与加热线圈的模型示意图

在感应加热仿真中，首先利用Maxwell模块对整个系统的电磁场进行建模，包括工件与加热线圈的几何形状、材料属性以及激励电流的特性等。电磁仿真过程可以精确描述线圈内交变电流产生的磁场以及工件内部感生的涡流分布，如图1所示。在这个过程中，可以根据工件材质与工艺要求调整线圈的几何参数和工作频率，以实现加热效率的最大化。

电磁场计算完成后，仿真结果会被传递到Transient Thermal模块，进行热场分析。Transient Thermal模块能够动态模拟工件在加热过程中的温度变化及其梯度分布，揭示涡流热效应在不同时间点的演化过程。通过热场分析，可以确定工件的最高温度、温度分布均匀性以及加热时间等关键参数，为后续的工艺优化和质量控制提供数据支持。图2展示了感应加热过程中的功率密度分布，工件内部由于涡流作用逐渐升温，并在不同区域形成一定的温度梯度。

图2 内部磁场分布示意图

在多次仿真与优化过程中，我们发现工作频率和线圈电流对工件的加热均匀性有显著影响。当频率过高时，涡流主要集中在工件表面，形成所谓的“趋肤效应”，导致内部加热不足；当频率适中时，涡流能够较为均匀地分布在工件内部，从而获得理想的加热效果。为了进一步优化感应加热过程中的能量利用率，我们通过参数扫描分析，确定了线圈匝数、工件与线圈之间的间隙等因素对加热效率和温度均匀性的影响，如图3所示。

图3 内部功率密度及温度分布图

在本文的仿真研究中，我们通过Maxwell与Transient Thermal模块实现了感应加热过程的全流程仿真，并根据仿真结果提出了相应的工艺优化方案。通过多物理场的协同模拟，能够快速评估不同参数组合对加热效果的影响，大幅缩短实际实验所需的开发周期和成本。