Loading...
Please wait, while we are loading the content...
Similar Documents
Modélisation électro-magnéto-thermique et optimisation des paramètres de chauffe d'un nouveau système de traitement thermique par induction robotisé
| Content Provider | Semantic Scholar |
|---|---|
| Author | Gendron, Mathieu |
| Copyright Year | 2018 |
| Abstract | La perennite des installations hydroelectriques est un enjeu d’actualite au Quebec. Les roues de turbine hydraulique, sujettes a la fissuration par fatigue et a une erosion par cavitation, sont parmi les composantes les plus critiques a reparer. Lorsqu’un bris survient, les reparations sont faites par soudage. Or, sur les roues en acier inoxydable martensitique, un traitement thermique est requis apres soudage pour diminuer les contraintes residuelles, restaurer la microstructure, et ainsi maximiser la duree de vie des reparations. Cependant, il est actuellement impossible d’aller effectuer un tel traitement thermique en place. Pour pallier a cette limitation, l’Institut de recherche d’Hydro-Quebec developpe un systeme robotise de traitement thermique in situ par induction. Un inducteur serpentin est assemble a l’effecteur d’un bras robotise a six degres de liberte. L’inducteur est deplace selon une trajectoire va-et-vient au-dessus de la zone a traiter. Un des aspects critiques pour assurer l’efficacite du traitement thermique est le controle precis de la distribution de temperature dans la zone a traiter. Par exemple, sur les roues Francis en CA6NM, une plage de temperature particulierement etroite de 620 ± 10°C est requise. Dans cette optique, l’objectif de ce travail de recherche est double. D’une part, il s'agit de developper un modele numerique du systeme de chauffage par induction pour predire la temperature generee dans la piece a chauffer. D’autre part, il s’agit de developper une methode numerique d’optimisation de la trajectoire et des parametres de chauffage de facon a generer le profil de temperature cible. Dans les deux cas, les methodes numeriques developpees doivent etre suffisamment rapides pour permettre a l’equipe en chantier de s’adapter en un minimum de temps a tout imprevu rencontre. Comme premiere approche, le flux de chaleur genere par l’inducteur est represente par une source de chaleur dans un modele thermique elements finis. La densite de flux de chaleur generee par l’inducteur en mouvement est consideree proportionnelle au temps que passe l’inducteur au-dessus de chaque point. Une distribution moyenne de densite de puissance sur un cycle de trajectoire est obtenue a chaque pas de temps d’une simulation transitoire. Cette facon de faire diminue grandement le temps de simulation. L’algorithme des gradients conjugues est ajoute au code thermique elements finis pour optimiser les parametres de cette source de chaleur moyenne. La puissance electrique, la trajectoire, la geometrie de l’inducteur et la distance inducteur-piece sont optimisees pour obtenir une distribution de temperature qui soit la plus uniforme possible et la plus pres possible des tolerances demandees, dans une zone donnee. La distribution de temperature et les parametres optimaux calcules avec cette approche ont permis d’effectuer avec succes un traitement thermique apres soudage sur une plaque d’acier inoxydable martensitique UNS S41500, en laboratoire. Ces resultats demontrent la validite de la source de chaleur moyenne pour modeliser et optimiser le systeme d’induction. Cependant, le modele empirique n'est valide que pour une plage limitee de geometrie et de positionnement d’inducteur par rapport a la piece a chauffer. Afin de representer avec plus de precision la physique du chauffage par induction et predire la distribution de temperature generee par l’inducteur serpentin, un modele electro-magnetothermique est developpe. Le principal defi est de tenir compte de l’effet de la haute frequence du systeme d’induction sur la distribution de courant dans l’inducteur et les conducteurs du systeme. La distribution de courant devient tres non-uniforme en raison de l’effet de peau et l’effet de proximite. L’hypothese d’une distribution de courant uniforme dans les conducteurs souvent utilizes pour modeliser les applications electromagnetiques similaires engendre une erreur importante dans le calcul des pertes par effet Joule dans les composantes du systeme d’induction. Cette erreur se traduit par une mauvaise evaluation de l'efficacite du systeme, et donc de la puissance generee dans la piece a chauffer. Pour calculer avec precision la distribution de courant tout en cherchant a minimiser le temps de calcul, un modele electromagnetique base sur une formulation integrale des equations de Maxwell est utilise. L’avantage par rapport a la methode des elements finis est que seulement les materiaux conducteurs sont consideres, ce qui diminue grandement le nombre d’inconnues. Pour simplifier le modele, les geometries 3D de l’inducteur et des conducteurs sont respectivement representees par des geometries 2D axisymetriques et rectilignes. Les conducteurs sont discretises en elements circulaires ou rectilignes a l’interieur desquels la densite de courant est consideree constante. Chaque element est represente par une resistance, une auto-inductance et une inductance mutuelle. La loi de Kirchhoff est utilisee pour former un systeme lineaire d’equations complexes. Le systeme est resolu pour obtenir le courant dans chaque element. L’auto-inductance et l’inductance mutuelle de chaque element sont calculees a partir des equations d’inductance mutuelle entre deux filaments, places a une distance egale a la distance moyenne geometrique de leur section. De nouvelles formules d’inductances mutuelles entre filaments circulaires sont developpees pour prendre en compte le chauffage de materiaux ferromagnetiques. De nouvelles expressions sont egalement developpees pour calculer la densite de flux magnetique genere par l’inducteur en presence d’un materiau ferromagnetique. Ces nouvelles expressions sont exprimees en fonction des integrales elliptiques, tres efficaces d’un point de vue calcul numerique. Les resultats du modele electromagnetique multifilament concordent avec ceux obtenus avec un logiciel d’analyse par elements finis commercial. Le modele electromagnetique multifilament est ensuite couple a un modele thermique differences finies pour calculer la temperature des conducteurs et a un modele thermique elements finis pour calculer la distribution de temperature dans la piece a chauffer. Ces modeles sont ensuite couples a un modele electrotechnique pour representer le circuit RLC du systeme d’induction. Les pertes par hysteresis sont modelisees en utilisant le concept de permeabilite magnetique complexe. La puissance dissipee dans le systeme d’induction calculee avec le modele electro-magneto-thermique est comparee avec des mesures experimentales. De plus, les distributions de temperature dans une plaque d’acier inoxydable austenitique UNS S31600 non magnetique et une plaque d’acier au carbone AISI 1045 ferromagnetique sont mesurees et comparees avec les predictions du modele. Les resultats confirment la validite et l’efficacite du modele electro-magneto-thermique developpe. |
| File Format | PDF HTM / HTML |
| Alternate Webpage(s) | http://espace.etsmtl.ca/2057/1/GENDRON_Mathieu_th%C3%A8se.pdf |
| Alternate Webpage(s) | http://espace.etsmtl.ca/2057/2/GENDRON_Mathieu_th%C3%A8se-web.pdf |
| Language | English |
| Access Restriction | Open |
| Content Type | Text |
| Resource Type | Article |
