Symulacja i optymalizacja komputerowa w analizie indukcyjnego nagrzewania powierzchni płaskich

W pracy przeprowadzono syntetyczną analizę układów do indukcyjnego nagrzewania powierzchni płaskich. Szczególną uwagę poświęcono układom grzejnym ze wzbudnikami spiralnymi i pętlowymi przy średnich częstotliwościach źródła zasilania. Wykorzystując dwu oraz trójwymiaro- we symulacje komputerowe pola elektromagnetycznego i cieplnego, w tym pól sprzężonych, dokonano ilościowej analizy wpływu uproszczeń modelu obliczeniowego na popełniane błędy obliczeniowe. Przeprowadzone analizy ilościowego wpływu uproszczeń wykorzystano w dalszej części pracy przy wypracowywaniu nowych modeli i algorytmów symulacyjnych. Łącząc pracę komercyjnego programu do numerycznych obliczeń polowych z procedurami analitycznego opisu źródła zasilania w pracy przedstawiono algorytm symulacji indukcyjnego układu grzejnego ze źródłem w postaci szeregowego falownika tranzystorowego. Przeanalizowano również zagadnienie nagrzewania wsadu w przesuwie. Opracowano metodę zwiększającą efektywność procesu symulacji 3D nagrzewania wsadu ferromagnetycz- nego w przesuwie oraz wykonano weryfikację eksperymentalną metody. Opracowano algorytm modelowania wymuszonego chłodzenia wsadu w przesuwie umożliwiający symulację procesu jego hartowania. W pracy przedstawiono również analizę zagadnienia utraty stateczności nagrzewanego indukcyjnie wsadu. Dla silnie podatnych na to zjawisko płyt okrągłych o dużym stosunku średnicy do grubości opracowano metodę umożliwiającą symulacyjną ocenę ryzyka utraty stateczności w trakcie indukcyjnego nagrzewania. Przedstawiono wpływ typowych, przy nagrzewaniu płyt wzbudnikami spiralnymi, promieniowych rozkładów temperatury na podatność wsadu na wyboczenie. Wskazano na rozkłady temperatury silnie ograniczające ryzyko utraty stateczności oraz konstrukcje wzbudników umożliwia- jące realizację tych rozkładów. Przedstawioną metodę zweryfikowano eksperymentalnie. Bazując na metodologii powierzchni odpowiedzi (Response Surface Methodology) przedstawiono w pracy zagadnienie optymalizacji komputerowej indukcyjnego układu wzbudnik-wsad opartej o wykorzystanie interpolacyjnej funkcji wielokwadrykowej (Multiquadric MQ). Opracowano algorytmy pozwalające na efektywne wykorzystanie interpolacyjnej funkcji MQ w optymalizacji układu wzbudnik-wsad z dużą (kilkanaście) liczbą zmiennych decyzyjnych. Przedstawiono implementacje komputerową tych algorytmów w pakiecie łączącym komercyjne programy do obliczania pola elektromagnetycznego i cieplnego oraz optymalizacji komputerowej (algorytmy genetyczne oraz sekwencyjne programowanie kwadratowe).

---

In the paper the analysis of the systems for induction heating of the flat charge has been presented. The special effort has been put on the induction systems with pancake and loop inductors supplied with middle frequency energy sources. Making use of 2D and 3D computer simulations of electromagnetic and thermal fields, also coupled problems, the quantitative influence of different simplifications of induction-charge models on the calculation error has been presented. These quantitative analyses have been used for preparing some new models and algorithms of the induction heating system simulation. Connecting the commercial program for numerical FEM simulation of coupled harmonic electromagnetic and transient thermal field with analytical description of the source the new algorithm of simulation the inductor-charge system supplying by series transistor inverter has been proposed. The induction heating of moving flat charge has been considered. The method of increasing the efficiency of 3D simulation of moving ferromagnetic flat charge has been proposed and experimentally verified. The algorithm of simulation the forced cooling of the charge before its hardening also was proposed. In the paper the buckling analysis of induction heated flat disk was considered. The simulation method of deterrnining the buck1ing risk has been proposed. The influence of the geometry of the system and charge temperature distribution on the buckling effect was considered. The radial temperature distribution reducing the buckling risk has been indicated and experimen- tally verified. Basing on the response surface methodology (RSM) with interpolation multiquadric (MQ) function the optimization method of inductor-charge system has been presented. The new algorithm for determming MQ interpolation function with several numbers of optirnization variables was presented and implemented in the software package.