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航空碳纤维复材板电-磁-热多场联合仿真与

分析

作者：于立国黄晓明董正宝游文涛苏洲陈中傲

来源：《河北科技大学学报》2021年第06期

摘要：针对电磁涡流感应在实现碳纤维增强复合材料（CFRP）快速内部加热时内部多场

问题尚缺少系统理论研究的情况，对航空碳纤维复材板进行了电-磁-热多场联合仿真与分析。

首先，从CFRP的物理属性出发，分析其涡流热产生的物理原理;其次，设计不同叠层数目碳

纤维复合材料，根据碳纤维复合板材电磁涡流形成规律，分析线圈输入功率/电压以及复材叠

层数目对涡流热效应的影响;再次，使用电-磁-热联合多场有限元模型对感应加热过程中电磁涡

流场和温度的分布情况进行仿真分析;最后，通过实验验证有限元模型计算结果。结果表明，

涡流效应中碳纤维板可以产生呈闭环的感应电流，感应电流在碳纤维复材板上呈中间低、四周

高的分布状态;在25V的固定输入电压下，单层碳纤维板的热升温效应最明显，稳定温度约为

141.4℃;随着输入功率/电压提升，双层碳纤维复合板材涡流热效应随之增大，达到热稳定所需

时间也同步增加。通过电-磁-热联合多场有限元模型和验证实验，研究感应加热过程中电磁涡

流场和温度的分布规律，对推动电磁涡流热效应在航空碳纤维复材感应焊接等领域的工程应用

具有参考价值。

关键词：复合材料;电磁感应;涡流加热;热功率;联合仿真

中图分类号：TB332文献标识码：A

：doi10.7535/hbkd.2021yx06001

YULiguo1，HUANGXiaoming2，DONGZhengbao1，YOUWentao2，SUZhou1，CHEN

Zhongao1

（1.MechatronicsEngineeringDepartment，AnhuiUniversityofScienceandTechnology，

Huainan，Anhui232001，China;2.MechanicalandElectricalEngineeringDepartment，Binzhou

University，Binzhou，Shandong256603，China）

Abstract：Inviewofthelackofsystematictheoreticalresearchonthemulti-fieldproblemof

electromagneticeddycurrentinductioninrealizingtherapidinternalheatingofcarbonfiber

reinforcedcompositesplastic（CFRP），theelectro-magnetic-thermalmulti-fieldco-simulationand

analysisofaviationCFRPwerecarriedout.Firstly，basedonthephysicalpropertiesofCFRP，the

physicalprincipleofeddycurrentheatwasanalyzed.Secondly，bydesigningCFRPwithdifferentlay

numbers，theeffectsofcoilinputpower/voltageandthenumberofcompositelayersontheeddy

currentthermaleffectwereanalyzedaccordingtothelawofelectromagneticeddyheat

generation.Thirdly，thedistributionofelectromagneticeddycurrentfieldandtemperatureinthe

processofinductionheatingwassimulatedandanalyzedbyelectro-magnetic-thermalfiniteelement

model（FEM）.Finally，theresultsofFEMareverifiedbyexperiments.Theresultsshowthatthe

CFRPboardcanproduceaclosed-loopinduc