[0060] 下面结合附图对本发明做进一步说明：
[0061] 本发明的一种对TP2内螺纹铜管中频加热及施加脉冲电流的模拟方法，该方法包括静态仿真模拟和动态仿真模拟；
[0062] 如图1所示，所述静态仿真模拟包括如下步骤：步骤一、提取铜管及感应线圈的几何参数、物理参数，并转换为ANSYS中的命令流语言；依据参数建立铜管、线圈、空气的实体模型；进行网格划分，获得有限元模型；
[0063] 根据实验要求，提取铜管以及感应线圈的几何参数、物理参数，设置感应加热及脉冲电流的各组关键参数；像实验一样，设置感应加热及脉冲电流的各组参数，数值模拟中也把两物理作用中的重要参数取不同数值来设置参数组，其中感应加热中的关键参数为：加热频率及交流电密度两个，由此基于实验选取合适的取值范围，在取值范围中分别为两参数各自取同等个数的合适数值，从而生成两个参数组；同样，在脉冲电流中重要的参数共计三个，分别为：脉冲电压、脉冲宽度、脉冲频率，基于实验为三个参数分别选取同等个数的合适数值，设置三个参数组；提取铜管以及感应线圈的各项参数，如内径、外径、长度、螺纹角等几何参数，以及相对磁导率、电阻率、导热系数、比热容等物理参数，提取完毕后，将其中的物理参数按照物理属性分别保存在文件中。
[0064] 将各组关键参数转换为ANSYS中的命令流语言。依据参数建立铜管、线圈、空气的实体模型；进行网格划分，获得有限元模型，将模型保存入数据库；
[0065] 打开ANSYS软件，在ANSYS软件中进行如下操作：
[0066] 读取各材料文件，将各材料特性导入ANSYS材料库中；建立铜管、线圈、空气的实体模型；对各实体模型进行网格划分，并对相应网格赋予材料特性以及设置单元类型，获得有限元模型，并将模型保存入数据库；建立数个ANSYS宏库，这是整个模拟的核心部分，ANSYS宏库的建立：
[0067] 通过APDL语言编程建立物理环境宏：为有限元模型建立物理环境，根据感应加热和脉冲电流两物理作用，先后建立电磁环境，热环境，脉冲热电环境以及脉冲电磁环境。其中电磁物理环境为有限元模型赋予电磁单元、设置边界条件、载荷范围及加载方式、电磁计算收敛准则以及求解类型；热物理环境为有限元模型设置赋予热单元、热收敛准则、载荷步设置及求解类型；上述两个物理环境即为进行中频感应加热时的所有物理环境。
[0068] 步骤二、导入有限元模型，进入物理环境库中进行各物理作用的模拟：
[0069] 1、通过*do循环语言命令来对中频感应加热进行模拟：
[0070] 导入电磁物理环境，读入温度载荷并作为初始条件，开始计算，电磁分析完毕后，导入热物理环境，将电磁分析中的温度载荷作为初始条件，并将电磁分析结果文件中的热生成率数据导入，进行计算。计算完毕后，在*do循环命令下，返回开始的电磁分析中，再一次重新开始，根据设置的循环次数依次重复进行，直至达到要求的热处理温度范围为止。
[0071] 2、通过*do循环语言命令对脉冲电流进行模拟，其中脉冲电流引起温度升高，并且产生电磁场，因此需要对其分两部分模拟，即脉冲热电模拟和脉冲电磁模拟两部分。
[0072] 其一，脉冲热电模拟：导入脉冲热电物理环境，将脉冲电流的关键参数——脉冲电压、脉冲频率、脉冲宽度转化为ANSYS的标量参数，将感应加热中的温度载荷作为初始条件导入，开始计算即可。
[0073] 其二，脉冲电磁模拟：导入脉冲电磁物理环境，与脉冲热电一样，脉冲电流的各重要参数——脉冲电压、脉冲频率、脉冲宽度通过APDL语言及*do循环命令进行设置，设置完毕后，将脉冲热电的温度载荷作为温度初始条件，以及将感应加热的电磁力载荷作为电磁场初始条件导入，开始计算，在脉冲电磁模拟中，即可实现整体实验的模拟仿真。
[0074] 步骤三、首先清除上一次步骤一、步骤二模拟时导入的有限元模型；再次提取铜管及新建立的感应线圈的几何参数和物理参数，并转换为ANSYS中的命令流语言；依据这些参数建立铜管、感应线圈和空气的实体模型；重新进行网格划分，生成新的有限元模型；
[0075] 步骤四、导入新的有限元模型，进入物理环境库中进行各物理作用的模拟：其具体内容如下：
[0076] 1、通过*do循环语言命令来对中频感应加热进行模拟：
[0077] 导入中频感应加热的电磁物理环境，读入上一次模拟中最终时刻的温度载荷并作为初始条件，开始进行电磁分析计算；电磁分析完毕后，导入中频感应加热的热物理环境，将电磁分析中的温度载荷以及电磁分析中的热生成率作为初始条件，进行热计算；计算完毕后，在*do循环命令下，返回开始的电磁分析中，再一次重新开始，根据设置的循环次数依次重复进行，直至达到要求的热处理温度范围为止；
[0078] 2、通过*do循环语言命令对脉冲电流进行模拟：
[0079] 其一，脉冲热电模拟：导入脉冲热电物理环境，将脉冲电流关键参数——脉冲电压、脉冲频率、脉冲宽度转化为ANSYS语言，将感应加热中的温度载荷作为初始条件导入，进行计算；待达到规定的计算时间结束，并将计算结果保存至相应的结果文件中；
[0080] 其二，脉冲电磁模拟：导入脉冲电磁物理环境，脉冲电流各参数——脉冲电压、脉冲频率、脉冲宽度通过APDL语言及*do循环命令进行设置，将脉冲热电的温度载荷作为温度初始条件，并将感应加热的电磁力载荷作为电磁场初始条件导入，进行计算；待达到规定的计算时间结束，并将计算结果保存至相应的结果文件中；
[0081] 上述为静态仿真模拟的具体流程，在模拟整个实验时，只需在ANSYS软件平台上，通过输入简短的APDL语言命令即可使计算机自动计算完成上述整个模拟，如下所示：
[0082] 1、导入有限元模型；
[0083] 2、执行ANSYS宏库(一至数个)；
[0084] 3、按顺序执行宏库中的各个宏。
[0085] 即可实现铜管的整个静态仿真模拟。
[0086] 如图2所示为对TP2内螺纹铜管的动态仿真模拟过程，其与静态仿真模拟流程基本一样，区别在于动态仿真使铜管实现等效运动效果，其具体过程如下：
[0087] 一、提取铜管及感应线圈的几何参数、物理参数，并转换为ANSYS中的命令流语言。依据参数建立铜管、线圈、空气的实体模型；进行网格划分，获得有限元模型。
[0088] 二、导入有限元模型，进入物理环境库中进行各物理作用的模拟：
[0089] 脉冲热电物理环境为有限元模型赋予热电耦合单元、选中模型的一端面，对其上所有节点耦合电压自由度；脉冲电磁物理环境为有限元模型赋予电磁单元、设置边界条件。上述两个物理环境即为施加脉冲电流时的所有物理环境。
[0090] 接着通过APDL语言建立模拟宏：
[0091] 1、通过*do循环语言命令来对中频感应加热进行模拟：
[0092] 在*do循环命令中导入标量参数、并将所有更新的标量参数保存至文本中并入数据库，导入电磁物理环境，接下来即将进行的电磁分析的方式、过程、以及所得结果在ANSYS中均会有相应的文件形式进行保存，因此在进行电磁分析前先将各文件名命名好，然后导入温度载荷并作为初始条件，开始计算，电磁分析完毕后，导入热物理环境，同样为接下来的热分析中的相应各文件进行命名，导入初始温度条件，并将电磁分析结果文件中的热生成率数据导入，并读取标量参数文件，将电磁分析中的温度载荷以及电磁分析结果中的热生成率作为初始条件，进行热计算；热分析计算完毕后，在*do循环命令下，返回开始的电磁分析中，再一次重新开始，根据*do命令设置的循环次数依次重复进行，直至达到要求的热处理温度范围为止。其中上述为开始的第一次循环中的步骤，以后各次循环与第一次相同，只不过除开始的第一次外，每一次的电磁分析中温度初始条件均为上一次循环中热分析所得的温度结果，每一次的热分析中的温度初始条件同样也是上一次循环中的热分析所得结果。
[0093] 2、通过*do循环语言命令对脉冲电流进行模拟。其中脉冲电流引起温度升高，并且产生电磁场，因此需要对其分两部分模拟，即脉冲热电模拟和脉冲电磁模拟两部分。其一，脉冲热电模拟：导入脉冲热电物理环境，为即将进行的脉冲热电中产生的各个文件提前命名，将脉冲电流的关键参数——脉冲电压、脉冲频率、脉冲宽度转化为ANSYS的标量参数，并通过APDL语言编程以及*do循环命令来进行设置，设置好后，将感应加热中的温度载荷作为初始条件导入，开始计算即可。需要说明的是，本发明中中频热处理和脉冲电流的模拟中所涉及的物理场众多，因此本发明专利采用顺序耦合法实现了对TP2内螺纹铜管中频热处理的同时施加脉冲电流的整个实验过程。并且为了实现与实际情况贴近的效果，每次中频热处理模拟与脉冲电流模拟所用时间相同并且时间很短。
[0094] 其二，脉冲电磁模拟：导入脉冲电磁物理环境，将脉冲电磁中产生的各文件进行提前命名，与脉冲热电一样，脉冲电流的各重要参数通过APDL语言及*do循环命令进行设置，设置完毕后，将脉冲热电的温度载荷作为温度初始条件，以及将感应加热的电磁力载荷作为电磁场初始条件导入，开始计算，在脉冲电磁模拟中，即可实现整体实验的模拟仿真。
[0095] 三、达到规定的计算时间后，保存计算结果至相应的结果文件中，清除模拟后的有限元模型，重新导入未经模拟计算的铜管实体模型，并建立新的线圈，其尺寸没有变化，只是与铜管的相对位置发生改变，即通过线圈的步进运动来等效铜管的运动。重新网格划分，生成新的整体有限元模型后，再次按照上述流程依次进行模拟计算，直至达到规定的时间结束即可。
[0096] 上述为动态仿真模拟的具体流程，在模拟整个实验时，同静态仿真模拟一样，只需在ANSYS软件平台上中输入简短的APDL语言命令即可使计算机自动计算完成上述整个模拟，如下所示：
[0097] 1、导入有限元模型
[0098] 2、执行ANSYS宏库(一至数个)
[0099] 3、按顺序执行宏库中的各个宏
[0100] 4、清除模型，移动线圈，生成新的整体模型
[0101] 5、再次执行命令1至4，直至达到规定时间。
[0102] 图3所示为本发明中TP2内螺纹铜管的有限元模型图；在用ANSYS有限元软件对TP2内螺纹铜管进行静态仿真模拟和动态仿真模拟时，通过对通过铜管的三围模型进行网格划分，得到有限元模型，以此作为实体，根据实际物理条件，对该实体施加相应的载荷和边界条件，从而实现模拟。
[0103] 如图4所示，为铜管静态仿真模拟或动态仿真模拟完毕后，得到的各时刻中，铜管整体的温度分布情况示意云图。通过对铜管整体温度云图的获取，可以获得在整个静态仿真和动态仿真过程中，TP2内螺纹铜管整体温度的变化情况，以及不同参数变化对铜管整体温度变化的影响规律，由此得到的参数规律，可对铜管整体温度分布情况作出预判。
[0104] 如图5所示，为铜管静态仿真模拟或动态仿真模拟完毕后，得到的各时刻中，铜管横截面上的温度分布情况示意云图。通过对铜管横截面上温度云图的获取，可以获得在整个静态仿真和动态仿真过程中，TP2内螺纹铜管横截面上温度的变化情况，以及不同参数变化对铜管整体温度变化的影响规律，由此得到的参数规律，可对铜管横截面上温度分布情况作出预判。
[0105] 如图6所示，为铜管静态仿真模拟或动态仿真模拟完毕后，得到的各时刻中，铜管整体电磁力云图示意图。通过对铜管整体电磁力云图的获取，可以获得在整个静态仿真和动态仿真过程中，TP2内螺纹铜管整体电磁力的变化情况，以及不同参数变化对铜管整体电磁力变化的影响规律，由此得到的参数规律，可对铜管整体电磁力分布情况作出预判。
[0106] 如图7所示，为铜管静态仿真模拟或动态仿真模拟完毕后，得到的各时刻中，铜管横截面电磁力云图示意图。通过对铜管横截面电磁力云图的获取，可以获得在整个静态仿真和动态仿真过程中，TP2内螺纹铜管横截面电磁力的变化情况，以及不同参数变化对铜管横截面电磁力变化的影响规律，由此得到的参数规律，可对铜管横截面上电磁力分布情况作出预判。
[0107] 如图8所示，为铜管静态仿真模拟或动态仿真模拟完毕后，得到的各时刻中，铜管整体脉冲电流的分布云图示意图。通过对铜管整体脉冲电流分布云图示意图的获取，可以获得在整个静态仿真和动态仿真过程中，TP2内螺纹铜管整体脉冲电流的变化情况，以及不同参数变化对铜管整体脉冲电流变化的影响规律，由此得到的参数规律，可对铜管整体脉冲电流分布情况作出预判。并且结合前面所述的铜管整体温度云图和电磁力云图在对应时刻的分布情况作比较，可以得到铜管整体温度分布和电磁力分布对铜管整体脉冲电流分布的影响规律。
[0108] 如图9所示，为铜管静态仿真模拟或动态仿真模拟完毕后，得到的各时刻中，铜管横截面脉冲电流的分布云图示意图。通过对铜管横截面脉冲电流分布云图示意图的获取，可以获得在整个静态仿真和动态仿真过程中，TP2内螺纹铜管横截面脉冲电流的变化情况，以及不同参数变化对铜管横截面脉冲电流变化的影响规律，由此得到的参数规律，可对铜管横截面脉冲电流分布情况作出预判。并且结合前面所述的铜管横截面温度云图和电磁力云图在对应时刻的分布情况作比较，可以得到铜管横截面温度分布和电磁力分布对铜管横截面脉冲电流分布的影响规律。
