Finite element technique for solution of thermo-contact problems and its application in numerical analysis of devices working with induction heating

Abstract

A finite element technique for solution of 2D multiphysics (electromagnetic, thermal and structural) problems is developed, taking into account temperature dependences of material properties and continuous variations of the contact surfaces. Modeling of the contact interaction between two parts is based on the concept of a special contact finite element having no thickness. The functional for the temperature problem is supplemented with components corresponding to the thermal conductivity of this contact layer. The heat generated due to mutual sliding of both parts can also be taken into account, but the heat capacity (specific heat) of the contact layer is neglected. Using a special ID 4-node finite elements a system of equations for the description of the thermo-contact problem is obtained.

Описана методика решения методом конечных элементов мультифизических (электромагнитных, тепловых и механических) задач с учетом зависимостей свойств материалов от температуры и изменения контактных поверхностей. Предложенный подход использован для численного анализа устройств, функционирующих на базе явления термоупругости в процессе индукционного нагрева и оригинальных технологических процессов, предназначенных для сборки и разборки конструкций с напряженными посадками. Применение разработанной методики проиллюстрировано на конкретном примере. Приведен анализ полученных результатов.