【摘 要】
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船用薄板在焊接过程中,工件结构的焊接处瞬间在一点上输入大量的热源,会导致结构物局部受热不均,并且随着焊接过程的不间断重复,受热位置和受热温度均不断变化,以及焊接过程的间断性导致结构构件持续冷热交替,这让焊缝处及附近会产生较为复杂的应力变化,从而影响到整体结构加工时的精准度。而豪华邮轮的内部结构相对于其他船型更加复杂,使用的板材相对更薄,更容易发生较大的形变,所以针对船用薄板焊接变形需要采用电磁感应
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船用薄板在焊接过程中,工件结构的焊接处瞬间在一点上输入大量的热源,会导致结构物局部受热不均,并且随着焊接过程的不间断重复,受热位置和受热温度均不断变化,以及焊接过程的间断性导致结构构件持续冷热交替,这让焊缝处及附近会产生较为复杂的应力变化,从而影响到整体结构加工时的精准度。而豪华邮轮的内部结构相对于其他船型更加复杂,使用的板材相对更薄,更容易发生较大的形变,所以针对船用薄板焊接变形需要采用电磁感应加热矫正技术。本文根据工件结构建立数值模型,选择并配置模型内各种结构的材料属性,利用ANSYS软件进行电-磁-热耦合分析。首先分析了船用薄板上产生的磁场变化趋势和涡流场的分布状态,再将电磁场仿真计算结果作为载荷加载到温度场进行仿真计算,利用控制变量法分析不同的电流强度、电流频率、薄板厚度以及感应线圈与T型薄板间的空气间隙长度对感应加热时温度场均匀性的影响,总结得出不同薄板厚度下的最佳感应加热参数并以此作为感应加热电源设计的性能指标要求。基于感应加热温度场仿真计算的结果,确定设计的感应加热电源样机最大功率为45k W。首先分析了电源的主电路拓扑结构,其中对整流、滤波、逆变和谐振部分的电路进行了详细的介绍。接着基于CD4046锁相环设计频率跟踪及移相调功电路,利用采集的谐振电流信号作为频率跟踪电路的输入信号,同时为电路输出的PWM波控制信号增加死区时间,实现电源的功率调节。最后根据电源中功率器件的功率损耗来完成电源的散热系统设计。在电源硬件设计的基础上,利用STM32F407控制芯片完成软件程序设计,同时开发了一套与电源匹配的人机交互界面,内置一套基于闭环比例积分算法的功率调节控制系统,通过示波器、万用表、电源质量分析仪以及电源运行监测界面验证该电源样机功能的可靠性。本文针对船用薄板焊接变形矫正所需的感应加热技术进行了感应加热电源的设计研究,通过仿真软件、EDA工具以及建模软件完成感应加热电源的软硬件设计,最后通过实验验证该感应加热电源的功能可靠性。
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