食品罐体模具感应加热过程的有限元仿真及分析

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食品罐体在食品领域的应用十分广泛，如各类罐头、破饮料、八宝粥等。食品罐体上盖是在涂覆有保护膜的基本盖上起泡、铆上拉环和预先压成刻线的有机结合-启时，拉环以铆钉为支点产生作用力，拉环的鹰嘴磕破刻线，再拉提拉环盖体沿刻线撕开。食品罐体上盖刻痕深度的大小直接影响盖体撕开的难易程度。当食品罐体上盖刻痕深度过大则罐体无法满足包装过程中耐高压的要求，当食品罐体上盖刻痕深度过收稿日期：2012-08-03作者简介：章 祺(1965-)，男 ，浙江萧山人，工程师，主要从事工业 自动化方面的研究.E-mail：zhangqi650418###163.com第5期 章 祺，等：食品罐体模具感应加热过程的有限元仿真及分析小则难以达到易开”的目的，尤其是对老人、妇女、小孩等力气小的人群而言。由于加工时原材料厚度会有细微变化、冲压刀头由于连续冲压而钝化，这些因素导致食品罐体上盖刻痕深度发生变化，从而导致次品的出现。为保证食品罐体上盖质量，目前生产企业通常采用停机检测与手动调整(更换不同高度的下磨具或更换冲压刀头)的方式来调节食品罐体刻痕深度。这种方式效率低，工作量大，产品合格率不高，严重制约了企业生产效率的提高。因此，十分有必要研究并开发食品罐体上盖刻痕深度的自动控制技术，以提高相关企业的生产效率和自动化水平。

由于食品罐体上盖的刻痕是由上模具冲压下模具上方的板材时留下的三角痕迹，在冲压机构精度足够高的情况下，通过改变冲压刀头的刀刃和下磨具表面之间的距离就能改变刻痕深度，换句话说，改变下模具的高度即可改变食品罐体上盖的刻痕深度○属具有热胀冷缩的特l生，因此当食品罐体的下模具被加热时，它就会发生膨胀，其在高度方向发生的变化量由温度和线膨胀系数决定。由于不同温度下固体的线膨胀系数变化很微小，实际应用中通成将线膨胀系数视为与温度无关的常数，认为下磨具高度变化量与温度变化量成正比。因此，研究者可通过调节下模具温度的方式来调整下模具的高度，从而实现食品罐体上盖刻痕深度的控制。

感应加热是-项较先进的加热技术，它具有加热速度快、效率高等特点，已经被广泛应用于有色金属、机械制造业、汽车等行业 。本研究提出将其应用到食品罐体上盖的生产中，用于加热下模具并通过控制温度来调整下模具的高度。感应加热模具是否能让模具高度平稳变化，是否能让食品罐体上盖刻痕深度达到质量要求，换句话说，感应加热模具是否能显著提高食品罐体产品合格率及生产效率本研究将通过AN-SYS中的磁-热耦合场分析功能来模拟食品罐体模具加热过程来验证这-方案的可行陛，并通过实验验证。

1 食品罐体模具感应加热过程的有限元仿真及分析ANSYS提供了两种耦合场分析方法：直接耦合法与间接耦合法。直接耦合法的耦合单元包含与相应的耦合场相关的所有必须自由度，仅通过-次求解就能得出耦合场的分析结果，而间接耦合法可以独立进行两种场的独立分析，而且其耦合过程是-个循环过程，迭代在两个充进行直到结果收敛到所需精度b 〖虑模具材料物理参数在受热过程中随温度变化对电磁尝温度场的影响 ，以及食品罐体刻痕深度的控制精度要求较高，本研究采用间接耦合法。

1.1 定义单元类型和单元实常数在ANSYS有限元分析中，恰当选取单元类型及单元实常数对有限元分析有着重要的影响。

为达到较高的计算精度，研究者须保证在加热透人深度内至少能够划分3～5层的单元，故本研究定义模具、空气、线圈为PLANE13单元，其选项设置： 为AZ， 为Axisymmetric。由于物体在受热过程中会对外热辐射，还需添加辐射单元SURF151，并定义实常数斯蒂芬-波尔兹曼常数盯值为5.67e-8[5]。

图 1 模具几何模型尺寸食品罐体模具感应加热有限元模型的-组实常数定义如表1所示。

表1 模具加热模型的-组实常数参 数 数 值模具模型外径，m线圈模型内径，m线圈模型外径，m模具模型高度，m线圈模型高度，m频率/Hz1T最大电导率，(S·in )真空磁导率/(H·in )相对磁导率，(H·l'n )趋肤深度，m结束时间/s谐波分析时间增/s0.025 15ri0.045 65r邶O.056 65h-O.039t0.058f-29 000pi-4·atan(1)cond0.5e7muzero4e--7·pimull6skindsqrt(1/pi·fret/·cond·muzero·tour)ftime10tinc0.1起始时间/s time0最大时间步长/s deh0.11.2 设置材料属性绝大多数单元类型需要定义材料属性，本研究分析中定义模具的属性如表2所示。

机 电 工 程 第 30卷1.3 创建模型并划分网格创建模型时，对于简单结构的可按照实际形状创建，对于结构复杂的模型，应尽量简化研究对象结构，以减衅算工作量。

食品罐体下模具的结构如图2所示。模具几何结构是空心圆柱体，柱体上有-轴向通孔，通孔与模具外壁间的间距大于感应加热的趋肤深度，即通孔对模具受热是没有影响的，因此，研究者可将食品罐体下模具看成轴对称结构，即创建模型时，只对模型剖面的二分之-进行建模 。

： 、/- 4 20 2139a：0.0l图2 食品罐体下模具结构图在ANSYS中，网格划分效果就是指确定单元的大孝单元数量以及单元在模型中的分布密度情况，而单元类型和模型的结构也决定了如何划分网格。本研究的模具模型简单，网格的划分也较简单。食品罐体下模具的有限元模型如图3所示。为了降低计算量，A。为模具区域，靠近模具表面网格划分较密，往中心密度逐渐递减，A：为空气区域，采用自由网格划分，A，为线圈与隔热层区域，采用的是均匀划分。

图3 食品罐体下模具有限元模型1.4 加载求解感应加热的载荷是施加在线圈内部的电流密度。它与线圈的匝数、电流频率、截面积有关n ，本研究中线圈的截面积为19.625 mm2，线圈匝数为2O、电流频率 19 kHz。

本研究采用磁热耦合场的间接分析法，需要分步计算，在磁场分析后将其写入热物理环境再进行温度场的分析 。这涉及到单元转换，当然转换前需清除磁场分析的边界条件。模具中的磁分析单元转换成PLANE55的热单元，热辐射单元改成用于辐射的空间节点，即将单元类型定义为0 。。

最后，笔者通过ANSYS进行反复循环耦合计算，从而实现电磁-热分析耦合的更精确的计算。

2 仿真结果及实验结果分析本研究仿真得到的模具温度分布图如图4所示。

仿真结果显示，当食品罐体模具被持续加热3 min时，模具的表面温度为104.8 cI，中心温度为101-3℃，两者间的温度差3.5℃。即模具的圆柱表层温度高，靠近芯部的温度低，且靠近模具芯部的温度梯度小，使得模具上的各点温度分布较均匀。

图4 加热3 min后模具的温度分布由热胀冷缩特l生知：AhahAT式中： -模具线膨胀系数 ， -模具常温下的高度 ，△ -模具受热前后温度变化值，A h-模具受热后高度的变化值。

由以上公式可知，模具的高度会随温度的变化而发生相应的线性变化，而且由以上结论知模具在径向温度分布较均匀，故模具上表面以中心为圆心的任意- 个圆上面的任意两点的高度变化差值是很微小的。

ANSYS仿真结果和实验结果如图5所示。图中的曲线1和2分别是靠近模具外壁的温度(影响食品罐体上盖质量的关键区域的温度-因食品罐体上盖刻痕位置靠近盖体外边缘)随时间变化的仿真结果和实验结果。两者的温度变化曲线基本重合。在 100 s前为感120100u 8O6O4O20s图5 仿真及实验结果(下转第622页)· 622 · 机 电 工 程 第 30卷t/(10 msdiv )图6 1 kw跳到2 kW时波形图. 姆 Ij 图7 2 kw跳到 1 kW时波形图4 结束语本研究给出了光伏发电系统用并网逆变器后级逆变部分的双闭环控制系统设计方法与详细设计：过程，提出了基 牧字控制的并网电流内环的分段PI揣 畏控制策略。

理论研究与实验结果表明，该控制策略实现简单，利于系统稳定，有良好的动、静态性能，能准确跟踪指令信号、减小并网电流THD、有效抑制电网干扰，是-种非常实用的解决方案。