本发明属于齿轮齿条热处理技术领域，特别涉及一种大模数齿条感应加热过程数值仿真方法。
背景技术：
齿轮齿条作为现代各种设备中最为普遍的传动机构之一，具有传动效率高、结构紧凑、寿命长、工作可靠等特点，被广泛应用于矿山、水利等大型机械设备的升降系统中。长期以来，寿命短、可靠性低以及结构重成为掣肘我国齿轮行业发展的三大问题，热处理作为齿轮齿条生产的重要工序之一是保证以上性能的关键。2020年6月国家标准化管理委员会发布重载齿轮热处理技术要求，其中定义重载齿轮为传递功率大、承载大、低速、受冲击载荷大的齿轮。对于大模数重载齿条而言，良好的齿面耐磨性以及硬度是保证其在长期严苛环境下工作的必要条件，同时要保证足够的硬化层深度，这是因为在淬硬过渡区存在较大的残留拉应力，若硬化层过浅，在大负载以及交变载荷作用下接触应力与残留拉应力相叠加，极易导致淬硬过渡区产生疲劳裂纹，进而使得硬化层剥离。其次，为提高齿条抗弯疲劳强度，应保证齿条硬化层沿齿廓连续均匀分布。
目前重载大模数齿条感应淬火主要有逐齿淬火和沿齿沟淬火两种。其中，逐齿感应淬火工艺简单，能有效提高轮齿接触面的耐磨性，但该种方法只能硬化齿面，齿根区域无硬化层，由于热影响区存在，会导致轮齿强度降低，受载较大时容易导致齿条齿根断裂。沿齿沟淬火法虽然能使齿面和齿根得到硬化，但齿顶中部无淬硬层，由于大模数重载齿条所需淬硬层深度大，在过渡区会形成极大的拉应力，当轮齿承受交变载荷时，极易使齿条产生内部裂纹甚至轮齿整体折断。公开号为cn210117393u的专利公开了一种大模数齿条感应加热装置，该专利中提出对齿条移动式逐齿扫描的加热方法，但是并未考虑到随着线圈移动由于齿条几何特征的变化，齿条内部磁场分布也会发生极大变化，如果感应器与齿条始终保持相同的运动速度，齿条加热后并不能得到沿齿廓均匀分布的温度场。而随着计算机行业的发展，有限元分析软件在工程应用上得到广泛应用，在合理的边界条件下其计算结果具有良好的可信度，能够极大降低设计成本，缩短设计时间。对于齿条的感应加热过程也可以利用有限元软件进行求解，但是，对于包含感应器与齿条存在相对运动的电磁感应加热过程，其数值模拟不仅包含磁场和温度场的耦合计算，还要同时考虑到感应器与齿条的相对运动，目前还没有一种数学模型和有限元软件能准确地进行电磁—温度—运动的完全耦合。因此，寻求一种针对大模数重载齿条的，兼顾磁场、温度场和运动耦合计算的大模数齿条感应加热过程数值仿真方法是十分迫切且必要的。
技术实现要素：
本发明针对上述现有技术中的缺陷，提出一种大模数齿条感应加热过程数值仿真方法。该方法包括建立材料物性参数文件库，建立齿条三维模型和局部坐标系，激活对应局部坐标系并建立感应器几何模型，确定负载迁移速度，根据线圈进给速度和加热子循环时间，确定负载迁移量并移动感应器，建立空气模型，划分网格并分别建立电磁场与温度场求解环境，建立齿条有限元仿真模型，求解子循环，判断齿条加热过程是否结束，若是则循环结束，完成整个仿真过程，输出大模数齿条感应加热过程数值仿真图谱，否则返回重新建立齿条三维模型和局部坐标系。本发明解决了齿条扫描式感应加热过程的电磁-热-运动多场耦合问题，相较于静态仿真而言，结果更加准确可靠，对实际生产具有指导意义。
本发明提供一种大模数齿条感应加热过程数值仿真方法，所述方法包括以下步骤：
s1、建立材料物性参数文件库：搜集用于齿条的各种材料的物性参数，建立材料物性参数文件库；
s2、建立齿条三维模型和局部坐标系：建立齿条三维模型，设齿根所在平面与全局坐标系下xoy平面重合，以负载移动路径为x轴，以负载移动方向为x轴正向，建立局部坐标系；
s3、激活对应局部坐标系并建立感应器几何模型：所述感应器为双匝仿形线圈结构，根据齿条与感应器相对位置的不同，所述感应器几何模型具体建立方法为：
若加热部位为齿根、齿顶或齿根到齿顶间区域，则感应器右下端点与局部坐标系原点重合；若加热部位为齿顶到齿根间区域，则感应器左下端点与局部坐标系原点重合；
s4、确定负载迁移速度：根据当前被激活坐标系x轴正向与全局坐标系x轴正向夹角为正、为负还是零，选取负载迁移速度；
s5、根据线圈进给速度和加热子循环时间，确定负载迁移量并移动感应器；
s6、建立空气模型：在齿条进行电磁感应加热过程中，感应器所产生的磁场辐射到周围空气中，通过对齿条周围空气建模来模拟感应器所产生的磁场在空间中的分布；
s7、建立齿条有限元仿真模型：对齿条三维模型划分网格，并分别建立电磁场与温度场求解环境，建立齿条有限元仿真模型；
s8、进入齿条有限元仿真模型求解子循环：读取磁场物理环境求解磁场，读取温度场物理环境求解温度场，判断子循环是否结束，若是则执行步骤s9；否则返回步骤s7；
s9、判断齿条加热过程是否结束，若是则循环结束，完成整个仿真过程，输出大模数齿条感应加热过程数值仿真图谱；否则返回步骤s2重复上述步骤。
优选的，所述步骤s4具体包括以下步骤：
s41、判断当前被激活坐标系x轴正向与全局坐标系x轴正向夹角为正、为负还是零，若为正则感应器所加热面为介于齿根与齿顶之间的区域，执行步骤s42；若为负则感应器所加热面为介于齿顶与齿根之间的区域，同样执行步骤s43；若为零则感应器所加热面为齿根或齿顶区域，执行步骤s44；
s42、判断负载移动后是否位于节圆以上区域，若是则选取负载迁移速度v＝v2，否则选取负载迁移速度v＝v1；
s43、判断负载移动后是否位于节圆以下区域，若是则选取负载迁移速度v＝v1，否则选取负载迁移速度v＝v2；
s44、判断当前激活局部坐标系原点纵坐标数值是否大于零，若是则感应器所加热面为齿顶区域，选取负载迁移速度v＝v3；否则感应器所加热面为齿根区域，选取负载迁移速度v＝v4。
进一步，所述步骤s8具体包括以下步骤：
s81、读取磁场物理环境，判断是否为初始加热，若是则以室温，即25℃作为温度载荷条件进行磁场求解，否则以温度求解循环中上一子步温度求解结果作为温度载荷条件施加，磁场求解以热生成率作为结果输出；
s82、读取温度场物理环境，以磁场求解输出结果为载荷施加并求解；
s83、判断子循环是否结束，若是则结束子循环执行步骤s9；否则返回步骤s7再次进行求解计算。
进一步，所述物性参数包括齿条材料电阻、相对磁导率、比热容、热传导系数、表面热对流系数、热辐射系数、感应线圈材料电阻、相对磁导率、导磁体材料相对磁导率和空气相对磁导率。
进一步，所述齿条有限元仿真模型求解子循环中感应器沿指定仿形路径对齿条进行扫描式加热，通过调整感应器与齿条的相对运动速度优化齿条加热后温度场分布。
进一步，所述方法根据电磁感应加热基本原理，将感应器中交流电所生成的电场称为源电场，在对齿条进行扫描式感应加热时，齿条温度场分布变化受齿条几何特征影响而与源电场无关；感应器作为源电场的载体，其位置变化对齿条加热后温度场分布形态不会造成影响。
进一步，所述方法能基于ansys软件进行动态数值仿真。
与现有技术相比，本发明的技术效果为：
1、本发明设计的一种大模数齿条感应加热过程数值仿真方法，考虑到感应器和齿条相对运动时由于齿条几何特征变化导致的磁场分布形态不一致问题，进一步导致感应加热后齿条沿齿廓方向温度场分布不均匀，并采用不同速度扫描以有效改善上述问题。
2、本发明设计的一种大模数齿条感应加热过程数值仿真方法，解决了齿条扫描式感应加热过程的电磁-热-运动多场耦合问题，相较于静态仿真而言，结果更加准确可靠，对实际生产具有指导意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明的大模数齿条感应加热过程数值仿真方法的流程图；
图2a是本发明的实施例齿条材料电阻率随温度变化曲线图；
图2b是本发明的实施例齿条材料相对磁导率随温度变化曲线图；
图2c是本发明的实施例齿条材料热传导系数随温度变化曲线图；
图2d是本发明的实施例齿条材料比热容随温度变化曲线图；
图3为本发明的负载迁移速度选择示意图；
图4a为本发明的加热区域为齿顶区域时感应器几何模型建立示意图；
图4b为本发明的加热区域为介于齿顶与齿根之间的区域时感应器几何模型建立示意图；
图5为本发明的实施例数值仿真结果温度云图；
图6为本发明的实施例温度提取点示意图；
图7为本发明的实施例节点温度变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1示出了本发明的大模数齿条感应加热过程数值仿真方法，该方法包括以下步骤：
s1、建立材料物性参数文件库：搜集用于齿条的各种材料的物性参数，建立材料物性参数文件库，物性参数包括齿条材料电阻、相对磁导率、比热容、热传导系数、表面热对流系数、热辐射系数、感应线圈材料电阻、相对磁导率、导磁体材料相对磁导率和空气相对磁导率。
s2、建立齿条三维模型和局部坐标系：建立齿条三维模型，设齿根所在平面与全局坐标系下xoy平面重合，以负载移动路径为x轴，以负载移动方向为x轴正向，建立局部坐标系。
s3、激活对应局部坐标系并建立感应器几何模型：所述感应器为双匝仿形线圈结构，根据齿条与感应器相对位置的不同，所述感应器几何模型具体建立方法为：
若加热部位为齿根、齿顶或齿根到齿顶间区域，则感应器右下端点与局部坐标系原点重合；若加热部位为齿顶到齿根间区域，则感应器左下端点与局部坐标系原点重合。
s4、确定负载迁移速度：根据当前被激活坐标系x轴正向与全局坐标系x轴正向夹角为正、为负还是零，选取负载迁移速度。
s41、判断当前被激活坐标系x轴正向与全局坐标系x轴正向夹角为正、为负还是零，若为正则感应器所加热面为介于齿根与齿顶之间的区域，执行步骤s42；若为负则感应器所加热面为介于齿顶与齿根之间的区域，同样执行步骤s43；若为零则感应器所加热面为齿根或齿顶区域，执行步骤s44；
s42、判断负载移动后是否位于节圆以上区域，若是则选取负载迁移速度v＝v2，否则选取负载迁移速度v＝v1；
s43、判断负载移动后是否位于节圆以下区域，若是则选取负载迁移速度v＝v1，否则选取负载迁移速度v＝v2；
s44、判断当前激活局部坐标系原点纵坐标数值是否大于零，若是则感应器所加热面为齿顶区域，选取负载迁移速度v＝v3；否则感应器所加热面为齿根区域，选取负载迁移速度v＝v4。
s5、根据线圈进给速度和加热子循环时间，确定负载迁移量并移动感应器。
s6、建立空气模型：在齿条进行电磁感应加热过程中，感应器所产生的磁场辐射到周围空气中，通过对齿条周围空气建模来模拟感应器所产生的磁场在空间中的分布，空气模型体积一般为齿条—感应器系统体积的3-5倍。
s7、建立齿条有限元仿真模型：对齿条三维模型划分网格，并分别建立电磁场与温度场求解环境，建立齿条有限元仿真模型。
s8、进入齿条有限元仿真模型求解子循环：读取磁场物理环境求解磁场，读取温度场物理环境求解温度场，判断子循环是否结束，若是则执行步骤s9；否则返回步骤s7。
s81、读取磁场物理环境，判断是否为初始加热，若是则以室温，即25℃作为温度载荷条件进行磁场求解，否则以温度求解循环中上一子步温度求解结果作为温度载荷条件施加，磁场求解以热生成率作为结果输出。
s82、读取温度场物理环境，以磁场求解输出结果为载荷施加并求解。
s83、判断子循环是否结束，若是则结束子循环执行步骤s9；否则返回步骤s7再次进行求解计算。
齿条有限元仿真模型求解子循环中感应器沿指定仿形路径对齿条进行扫描式加热，通过调整感应器与齿条的相对运动速度优化齿条加热后温度场分布。
s9、判断齿条加热过程是否结束，若是则循环结束，完成整个仿真过程，输出大模数齿条感应加热过程数值仿真图谱；否则返回步骤s2重复上述步骤。
根据电磁感应加热基本原理，感应器中所通过的交流电是实现齿条加热的唯一外部负载，为此，将感应器中交流电所生成的电场称为源电场，在感应器运动过程中，由于感应器结构不发生变化且通过感应器中电参数为恒定值，因此源电场在整个加热过程中可看作是稳定状态，可以设想，当工件的几何特征随感应器运动不发生变化时，尽管感应器处在运动状态，但工件内部感生磁场必然会达到动态平衡并以恒定形态分布，进一步地，感应加热后温度场分布也是固定不变的。由此可知，在对齿条进行扫描式感应加热时，齿条温度场分布变化受齿条几何特征影响而与源电场无关。基于以上分析，感应器作为源电场的载体，其位置变化对齿条加热后温度场分布形态不会造成影响，故而，可以用负载不断迁移的方法来实现齿条扫描式感应加热的动态仿真，这也是“负载迁移循环求解法”的原理所在。此外，所提方法能基于ansys软件进行动态数值仿真。
下面结合具体的案例对本发明做进一步的详细说明。
本实施例选择模数25mm的齿条作为研究对象，结构尺寸见表1。
表1
齿条所用材料为42crmo，该材料电阻率、相对磁导率、导热系数以及比热容随温度变化曲线如附图2所示。
如图3所示，本实施例中以加热bc段为例，xoy为全局坐标系，在bc段激活局部坐标系xo1y，此时被激活坐标系x轴正向与全局坐标系x轴正向夹角为零，则判定加热区域为齿顶区域，且坐标原点o纵坐标大于零，故而选取齿顶负载迁移速度v＝v3，如图4a所示，基于加热位置建立感应器几何模型，感应器右下端点与局部坐标系原点o1重合。
加热cd段时，激活局部坐标系xo2y，此时被激活坐标系x轴正向与全局坐标系x轴正向夹角为负，则判定加热区域为介于齿顶与齿根之间的区域，在节圆以上位置选取负载迁移速度v＝v2，当运动至节圆以下时负载迁移速度变为v＝v1，如图4b所示，基于加热位置建立感应器几何模型，感应器左下端点与局部坐标系原点o2重合。
根据负载迁移速度和时间子步长移动感应器，以de段加热为例，负载移动速度v＝1mm/s，时间子步长0.1s，每个子循环计算2次，则感应器每次步进长度为0.2mm，直至de段加热完成。
由于齿条几何形貌具有重复性，以图3中abcde看作一个加热周期，加热完成后退出程序。图5为加热过程中齿条温度场分布云图。
如图6所示，在齿条上定义测温点a、b、c、d。图7为以上测温点加热过程中温度变化曲线图，从图中可以看出以上各点在加热后温度均达到800℃以上，且各点温度均匀性较好，满足齿条热处理要求，说明本发明提出的数值仿真方法理论的正确性以及结果可靠性。
本发明设计的一种大模数齿条感应加热过程数值仿真方法，考虑到感应器和齿条相对运动时由于齿条几何特征变化导致的磁场分布形态不一致问题，进一步导致感应加热后齿条沿齿廓方向温度场分布不均匀，并采用不同速度扫描以有效改善上述问题；解决了齿条扫描式感应加热过程的电磁-热-运动多场耦合问题，相较于静态仿真而言，结果更加准确可靠，对实际生产具有指导意义。
最后所应说明的是：以上实施例仅以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
1.一种大模数齿条感应加热过程数值仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
s1、建立材料物性参数文件库：搜集用于齿条的各种材料的物性参数，建立材料物性参数文件库；
s2、建立齿条三维模型和局部坐标系：建立齿条三维模型，设齿根所在平面与全局坐标系下xoy平面重合，以负载移动路径为x轴，以负载移动方向为x轴正向，建立局部坐标系；
s3、激活对应局部坐标系并建立感应器几何模型：所述感应器为双匝仿形线圈结构，根据齿条与感应器相对位置的不同，所述感应器几何模型具体建立方法为：
若加热部位为齿根、齿顶或齿根到齿顶间区域，则感应器右下端点与局部坐标系原点重合；若加热部位为齿顶到齿根间区域，则感应器左下端点与局部坐标系原点重合；
s4、确定负载迁移速度：根据当前被激活坐标系x轴正向与全局坐标系x轴正向夹角为正、为负还是零，选取负载迁移速度；
s5、根据线圈进给速度和加热子循环时间，确定负载迁移量并移动感应器；
s6、建立空气模型：在齿条进行电磁感应加热过程中，感应器所产生的磁场辐射到周围空气中，通过对齿条周围空气建模来模拟感应器所产生的磁场在空间中的分布；
s7、建立齿条有限元仿真模型：对齿条三维模型划分网格，并分别建立电磁场与温度场求解环境，建立齿条有限元仿真模型；
s8、进入齿条有限元仿真模型求解子循环：读取磁场物理环境求解磁场，读取温度场物理环境求解温度场，判断子循环是否结束，若是则执行步骤s9；否则返回步骤s7；
s9、判断齿条加热过程是否结束，若是则循环结束，完成整个仿真过程，输出大模数齿条感应加热过程数值仿真图谱；否则返回步骤s2重复上述步骤。
2.根据权利要求1所述的大模数齿条感应加热过程数值仿真方法，其特征在于，所述步骤s4具体包括以下步骤：
s41、判断当前被激活坐标系x轴正向与全局坐标系x轴正向夹角为正、为负还是零，若为正则感应器所加热面为介于齿根与齿顶之间的区域，执行步骤s42；若为负则感应器所加热面为介于齿顶与齿根之间的区域，同样执行步骤s43；若为零则感应器所加热面为齿根或齿顶区域，执行步骤s44；
s42、判断负载移动后是否位于节圆以上区域，若是则选取负载迁移速度v＝v2，否则选取负载迁移速度v＝v1；
s43、判断负载移动后是否位于节圆以下区域，若是则选取负载迁移速度v＝v1，否则选取负载迁移速度v＝v2；
s44、判断当前激活局部坐标系原点纵坐标数值是否大于零，若是则感应器所加热面为齿顶区域，选取负载迁移速度v＝v3；否则感应器所加热面为齿根区域，选取负载迁移速度v＝v4。
3.根据权利要求1所述的大模数齿条感应加热过程数值仿真方法，其特征在于，所述步骤s8具体包括以下步骤：
s81、读取磁场物理环境，判断是否为初始加热，若是则以室温，即25℃作为温度载荷条件进行磁场求解，否则以温度求解循环中上一子步温度求解结果作为温度载荷条件施加，磁场求解以热生成率作为结果输出；
s82、读取温度场物理环境，以磁场求解输出结果为载荷施加并求解；
s83、判断子循环是否结束，若是则结束子循环执行步骤s9；否则返回步骤s7再次进行求解计算。
4.根据权利要求1所述的大模数齿条感应加热过程数值仿真方法，其特征在于，所述物性参数包括齿条材料电阻、相对磁导率、比热容、热传导系数、表面热对流系数、热辐射系数、感应线圈材料电阻、相对磁导率、导磁体材料相对磁导率和空气相对磁导率。
5.根据权利要求1所述的大模数齿条感应加热过程数值仿真方法，其特征在于，所述齿条有限元仿真模型求解子循环中感应器沿指定仿形路径对齿条进行扫描式加热，通过调整感应器与齿条的相对运动速度优化齿条加热后温度场分布。
6.根据权利要求1所述的大模数齿条感应加热过程数值仿真方法，其特征在于，所述方法根据电磁感应加热基本原理，将感应器中交流电所生成的电场称为源电场，在对齿条进行扫描式感应加热时，齿条温度场分布变化受齿条几何特征影响而与源电场无关；感应器作为源电场的载体，其位置变化对齿条加热后温度场分布形态不会造成影响。
7.根据权利要求1所述的大模数齿条感应加热过程数值仿真方法，其特征在于，所述方法能基于ansys软件进行动态数值仿真。
技术总结