Совместная оптимизация конструктивных параметров индуктора и алгоритмов управления процессом нагрева под поверхностную закалку

Представлена стратегия решения задачи совместной оптимизации проектных решений и режимов функционирования индуктора в процессе нагрева стальных деталей L-образной формы под поверхностную закалку. На первом этапе решается задача оптимизации конструкции витков индуктора и параметров алгоритма управления источником питания, обеспечивающих максимально равномерный нагрев закаливаемого слоя до заданной температуры выше точки Кюри за фиксированное время. На втором этапе рассматривается фазовое ограничение, которое представляет собой технологическое требование обеспечения на всем протяжении стадии нагрева температуры, не превышающей предельно допустимого значения. При нарушении установленного ограничения решается задача поиска алгоритма управления на особом интервале, в пределах которого максимальная температура в закаливаемом слое превышала предельно допустимое значение. На третьем этапе повторно решается задача совместной оптимизации с учетом найденного алгоритма управления на особом интервале движения по фазовому ограничению. Описанные этапы при необходимости могут повторяться. Представлен тестовый пример применения разработанной стратегии для рассматриваемого класса технологий индукционного нагрева под поверхностную закалку металлических заготовок с угловой зоной. Для численного решения в пакете прикладных программ MATLAB разработан программный комплекс, в который интегрирована двумерная нелинейная проблемно-ориентированная модель процесса индукционного нагрева, разработанная в ANSYS Mechanical APDL. Алгоритм решения задачи совместной оптимизации основан на альтернансном методе параметрической оптимизации систем с распределенными параметрами. Разработанная стратегия, апробированная на верифицированной модели взаимосвязанных электромагнитных и температурных полей, позволяет получить равномерное температурное распределение по границе закаливаемого слоя стальных полуфабрикатов сложной геометрической формы без локальных перегревов на всем протяжении стадии нагрева.