電磁脈沖成形多物理場耦合數值模擬及實驗研究.pdf

1、本文結合金屬板料單點漸進成形和電磁脈沖成形工藝,提出電磁脈沖漸進成形新方法。該技術的基本原理是放電線圈代替單點漸進成形裝置中的剛性工具頭。放電線圈在計算機控制下按照一定的三維空間軌跡逐次移動到一個大型工件的各個局部位置,并通過線圈放電和磁場力使工件分布變形。最終這些局部變形累加成整個大型零件。另外,電磁脈沖成形涉及到一個多物理場相互耦合過程。數值模擬提供了一種手段去解決這種耦合問題。但是大多數的模擬方法只針對簡單的2D軸對稱模型。對于實

2、際的工業(yè)應用,需要分析非軸對稱和曲面復雜的成形零件,這都必須設計相應的3D有限元模型。因此,本文的研究內容可概括為:
　　為了提供能夠適用于復雜3D模型的強耦合模擬方法,采用順序耦合法對板料電磁自由脹形過程進行3D有限元模擬分析。對空氣網格采用任意拉格朗日歐拉算法(ALE)或者網格隨移技術,實現空氣3D網格能夠與工件變形隨動而不產生畸變。動態(tài)而無畸變的六面體網格和不同時刻工件上的磁場力數據能夠在磁場分析模塊與塑性成形模塊間準確傳遞

3、數據,既提高了運算速度又可獲得精確計算結果。與過去學者所發(fā)表文獻的實驗數據比較證明,本文的模擬方法能合理的描述工件3D電磁動態(tài)變形過程。對于復雜線圈結構,提出采用網格重劃技術實現空氣網格隨工件的變形而更新。建立含有均壓力線圈的3D電磁成形有限元模型,分析均壓力線圈的工作原理、板料上的磁場力分布情況。采用ANSYS/MECHANICAL軟件分析板料在均壓力線圈作用下的變形規(guī)律。通過分析線圈的受力情況,提出均壓力線圈容易發(fā)生失效的原因。

4、r>　　采用松散耦合法和順序耦合法分析了脈沖電流第二半波對成形的影響。研究發(fā)現:隨著電流頻率的增加,第二半波對電磁脈沖成形結果影響加劇。如果僅考慮第一半波對成形的影響和高的電流頻率條件下,松散耦合的計算精度有可能會高于順序耦合法。但是當第二半波對成形的影響被考慮,無論在高的電流頻率還是低電流頻率,順序耦合法計算結果都與實驗結果接近。另外,采用順序耦合法研究了線圈與凹模尺寸的比值和電流頻率對板料電磁脈沖成形的影響。模擬結果發(fā)現板料電磁自由

5、脹形存在兩個明顯的厚度減薄區(qū)域。當線圈與凹模尺寸的比值接近于1時,板料會得到最大的厚度減薄量。同時存在最佳的電流頻率使板料的變形量最大。模擬結果發(fā)現最佳電流頻率會受到板料厚度和電流衰減系數顯著影響。因此,不能依據傳統(tǒng)觀點(即趨膚深度應該小于或者接近工件的壁厚)來選擇最佳電流頻率。
　　結合實驗和2D、3D有限元分析手段,深入研究了電磁漸進成形方法對大尺寸板坯件和長直壁管件的成形問題。針對大尺寸板坯件成形,研究發(fā)現:板料高速變形并與

6、凹模貼合時,板料變形時的空氣阻力隨著放電電壓的增加而增加。當放電電壓大于某一臨界值(U=1700V),由于空氣阻力的原因,導致板料表面有凹坑出現。為了提高板料與模具的貼合質量,需要在一個放電位置連續(xù)兩次放電成形。另外本文實驗得到:當最佳的放電區(qū)域個數N=4時,相鄰兩次放電區(qū)域存在最佳的重疊率,使板料最終成形質量最好。針對長直臂管件均勻變形的研究,采用“生死單元法”間接描述線圈移動放電成形過程。與一次放電、兩次放電和三次放電實驗結果相比,