电磁成形技术理论分析研究进展.pdf
《电磁成形技术理论分析研究进展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电磁成形技术理论分析研究进展.pdf(13页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、1 / 13 电磁成形技术理论研究进展 作者:哈尔滨工业大学李春峰 于海平 摘要:电磁成形是应用广泛高速率成形技术之一,随着电磁成形工艺应用的发展,越来越 需要完善的理论研究来指导和检验电磁成形系统及工艺设计、预测工件最终形状。介绍了 国内外电磁成形理论研究简况及进展,总结了研究成果和特点,讨论了电磁成形中高速率 变形条件下材料成形性提高的决定因素。最后电磁成形理论研究的发展趋势进行了展望。 关键词:电磁成形;理论研究;数值模拟;成形性 1 前言 电磁成形是利用磁场力使金属坯料变形的高速率成形方法。因为在成形过程中载荷以脉冲 的方式作用于毛坯,因此又称为磁脉冲成形1。电磁成形理论研究主要包括磁
2、场力分析和 磁场力作用下工件的变形分析2,以及高速率条件下材料成形性的研究等。电磁成形过程 涉及电动力学、电磁学、塑性动力学、热力学以及应力波理论等多学科的内容,由于多学 科交叉的复杂性及多种高度非线性,使电磁成形理论研究变得非常复杂。 随着汽车、航空航天等制造业结构轻量化的发展趋势,高强度低成形性材料磁压力脉冲;(b放电回路电感;(c 放电回路电阻 但是,实际上工件的成形能量主要是由磁脉冲压力的第一波给予的4。因为本身能量降低 以及线圈和工件之间的间隙随着工件变形增大而增加,后继的波传递给工件的能量减少, 不足以使工件产生继续变形。由图1 分析可知,虽然工件开始变形以后,系统的电感和电 阻都
3、发生了变化,但是,在实际上在第一波的时间内,工件可能只发生了些微的变形,系 统电感和电阻的变化主要发生在工件发生大变形之后,因此,在采用RLC 等效电路法研究 电磁成形磁场、磁场力变化时,在可以忽略端部效应的情况下,系统电参数的变化可以忽 3 / 13 略不计,不会影响理论分析和数值计算的精度。1990 年,张守彬 9采用等效电路法分析 了管坯胀形的放电过程,并在此基础上研究了脉冲磁场力作用下的刚塑性管坯的变形过 程。 2.2 有限元计算研究 近年来,随着计算能力的迅速提高,研究人员已开始用功能强大的算法和计算机来计算复 杂的成形过程 10。有限元方法的引入更促进了电磁成形理论研究的迅速发展。
4、 1984 年,铃木秀雄11等人用有限元方法分析了磁脉冲压力作孟鹿芘鞯恼托喂蹋醚 芯坎煌晟疲治鼋峁胧笛榻峁幌喾稀akatsu 12 和 Gourdin 13 研究了随材料变 形而发生的磁场的演变过程。Gourdin 通过胀环实验研究了高应变速率条件下材料的流动 应力, Takatsu 在此基础上又进一步考虑了磁损失的影响,较准确地模拟了板料电磁成形 过程。 Dongkyun Min 14通过电磁缩径实验得到了皱形波数和径厚比的关系,并对管壁起 皱现象进行了三维非线性弹塑性有限元的分析,使用冲击接触算法分析了芯轴的减皱过 程。 在分析电磁成形的过程中,人们往往采用等效方法来计算施加于工件上的磁压
5、力 8,11,12,16 18 。而应用此法的前提是认为工件或线圈足够长以至于可以忽略末端的影 响,而且假定只有管坯内壁受力,磁压力在轴向上分布均匀。Sung Ho Lee2在文献 18 的基础上,通过向麦克斯韦方程组中引入矢量磁位,把线圈和工件包含到计算中。然后进 行了动态变形的有限元分析,精度有一定程度的提高。而文献19,20 通过解读推导,克服 了上述等效法的缺点,建立了考虑管件端部效应的磁压力公式,反映了纵坐标对磁压力分 布的影响。但是,该方法仍然忽略了轴向磁场力的影响,并且当线圈长度大于管件时,该 公式就不再适用。张守彬21在时域上对文献16的公式进行了改进,引入了工件变形的影 响因
6、子,反映了工件变形对磁压力的影响,进而影响工件的进一步变形。Sung Ho Lee 22 在文献 2的基础上研究管坯胀形时的几何参数及工件抗力对磁压力的影响,通过有限元分 析得到管坯胀形时轴向磁压力更实际的分布。 文献 6,23,24 通过向麦克斯韦方程组中引入速度项来体现工件变形对磁场的影响,但是没 有合理地说明初始边界值问题,并且这种方法只是针对管件电磁胀形而言的。文献25,26 在模拟中引入一种“ 宏单元 ” 来计算线圈和工件之间的胀形间隙的变化。同样,这种方法也 只限于管件电磁胀形的情形。AliMeriChed27介绍了一种解决电磁平板成形问题的方法, 分析了电路、电磁场和工件塑性变形
7、,并推出了基于矢量磁位积分形式的二维轴对称模 4 / 13 式,可用于计算磁场、涡流和平板上的电磁感应强度。 在上述电磁成形求解过程中,电磁场和结构场多是分开求解的,很难适应复杂成形系统设 计、准确预测复杂工件最终形状的需要。因此,Anter El-Azab、Mark Garnich和 Ashish Kapoor3 通过分析电磁成形过程中电磁场、温度场和结构场之间复杂的耦合关系,建立了 能够描述这种耦合关系的数学框架。但是,到目前为止,还没有找到合适的数值算法来解 决这一问题。 在国内,赵志衡28 30 应用有限元法研究了管坯电磁胀形的磁场、磁场力分布。研究发 现在整个管壁上均有胀形磁场力,并
8、沿管坯壁厚由内向外衰减分布;管坯同时受到径向压 力和轴向压力作用。管坯线圈系统受力及管坯壁厚方向上受力如图2、3 所示。磁场力 分布的这一特点与其它自由胀形工艺很不同,对于加深电磁成形变形机理的认识是非常重 要的。为了更清楚地认识各种工艺中磁场力的分布,文献31 35采用有限元法分别研究 了管坯电磁缩径、管坯有模成形、平板胀形的磁场力分布规律。舒行军36基于 ANSYS 的 电路分析模块求解了电磁成形放电电流,求解结果作为电磁场分析的边界条件,得到了与 真实值相近的仿真结果。 图 2 管坯 线圈系统受力图图 3 沿管坯厚度方向胀形磁场力分布 2.3 通用软件的耦合场数值数值模拟 自 20 世纪
9、 90 中期以来,随着大型通用有限元软件的快速发展,国内外开始使用它们 对电磁成形进行研究工作。利用软件对电磁成形进行数值模拟主要有两种方式,一是开发 现有计算电磁场和结构场软件的接口,把二者联系起来对电磁成形进行分场模拟;二是利 用电磁 结构耦合场计算软件37。目前,多数采用现有软件的研究工作是以第一种方式 进行的。 如果工件变形小,不足以使磁场产生明显变化,那么,采用相应软件对电磁场和结构场进 5 / 13 行连续求解不会影响最终变形的求解精度。文献38,39 分别把电磁场分析软件 MEGA/EMAP3D和结构场分析软件DYNA3D 联系起来,对电磁结构场进行分场模拟, 即首先用MEGA/
10、EMAP3D对电磁场进行模拟得到磁场力,然后把磁场力作为结构场的边 界条件转移到DYNA3D中,模拟变形。有如下两种实现磁场力边界条件的方式:一是两种 物理场求解时的网格划分相同,随时间变化的磁场力作为结构分析的边界条件;二是把磁 场中求解的电流密度J 和磁感应强度B 映射到结构单元网格中去,不须网格划分相同 38。因为上述模拟只涉及到了磁场对变形的影响,而没有考虑变形对磁场的作用,因此 这种耦合模拟方法被称为“ 半耦合 ”40 。 Yoichi Marakoshi 41 和 Yuichi Hashimoto 42分别使用有限元软件MARC 对内筋成形 文献 5154 的实验结果表明,高速率成
11、形下材料成形性提高主要是材料惯性而不是材料 本构关系的改变抑制了工件的局部颈缩。高速率成形的大动量改变了传统静态成形工件的 应力分布,使变形在整个工件范围内发生,分散了整个工件的集中变形,缩小了减薄量, 从而使变形趋于稳定。从另一方面来讲,虽然成形速率比传统静态成形高得多,但是,高 速率成形产生的应变速率还不足以改变材料的本构关系(102 103 Vs104/s43。所以, 高速率成形过程中,材料的惯性是导致工件成形性提高决定因素。同时,工件尺寸和形状 对高速率成形工件的成形性影响很大,成形性提高很大程度上取决于试样的尺寸和形状 53。 文献 58 从力学角度出发,建立了包括电、磁、热场在内的
12、多场耦合方程组,对电磁胀形 过程中的一维Al6061环颈缩现象进行了研究,并量化了电磁成形提高极限变形程度: 250 - 254 3 Anter El-Azab, Mark Garnich, Ashish Kapoor. Modeling of the electromagnetic forming of sheet metals state-of-the-art and future needs. Journal of Materials Processing Technology, 2003(142: 744754 4 Electromagnetic forming. American s
13、ociety for metals, metal handbook, ninth edition, Volume 14, Forming and Forging. 1988: 644-653 5 I.V. Beley, S. M. Ferrtik, L. T. Khimenko. Electromagnetic Metal Forming Handbook, 8 / 13 English Version of Russian book translated by M. M. Altynova. OhioStateUniversity. 1996 6 B. Bendjima et al A Co
14、upling Model for Analyzing Dynamical Behaviours of An Electromagnetic Forming System. IEEE Transactions on Magnetics. 1997, 33 (2: 1638- 1641 7 宋 福 民 . 管 件 电 磁 成 形 研 究 . 哈 尔 滨 工 业 大 学 博 士 论 文 . 1996: 1-20 8 G. K. Lai, M. J. Hillier. The electrodynamics of electromagnetic forming. Int. J. Mech. Sci.
15、1968 (10: 491-500 9 张守彬 . 电磁成形胀管过程的研究及工程计算方法. 哈尔滨工业大学博士论文. 1990: 1- 90 10 Regg K. Fenton et al Modeling of Electromagnetically Formed Sheet Metal. Journal of Material Processing Technology. 1998 (75: 6-16 11 Hideo Suzuki. Finite Element Analysis of Tube Deformation under Impulsive Internal Pressure.
16、 Advanced Technology of Plasticity. 1984 (1: 367-372 12 N. Takatsu et al High-Speed Forming of Metal Sheets by Electromagnetic Force. Int. J. Jpn. Soc. Mech. Eng. 1988, 31 (1: 142-144 13 William H. Gourdin. Analysis and Assessment of Electromagnetic Ring Expansion as A High-strain-rate Test. J. Appl
17、. Phys 1989, 65 (2: 411-422 14 Dong-Kyun Min, Dong-Winkim. A Finite-Element Analysis of the Electromagnetic Tube-Compression Process. Journal of Materials Processing Technology. 1993,38 (1: 29-40 15 S. T. S. Al-Hassani. The plastic buckling of thin-walled tubes subject to magnetomotive forces. Journ
18、al Mechanical engineering science. 1974, 16 (2: 59-70 16 H. Zhang, M. Murata, H. Suzuki. Effects of various working conditions on tube bulging by electromagnetic forming. Journal of Material Processing Technology. 1995 (48: 113-121 17 N.Hashimoto et al Electromgnetic Forming of Thin-Walled Metal Tub
19、e with Fine Grooves. Advanced Technology of Plasticity 1993-Processing of the Fourth International Conference on Technology of Plasticity: 533-538 18铃木秀雄 , 根岸秀明 ,横内康人 ,村田真 .电磁压力受胀管自由成形. 塑性加工. 1986 (27: 1254-1260 9 / 13 19 C. Beerwald, A. Brosius, W. Homberg, M. Kleiner, A. Wellendorf. New aspects of
20、 electromagnetic forming. Advanced technology of Plasticity, Vol. 3, 1999: 2471-2476 20 Beerwald, C., Klocke, M Magnetumformung-Herleitung des magnetischen Druckes. Tehnical report, Chair of forming technology, Chair of electrical machines, Drives and Power Electronics, University of Dortmund, 1999
21、21 S. B. Zhang, H. Negishi. Curling of square tube by electromagnetic forming. Impact engineering and application. 2001: 285-290 22 Sung Ho Lee, Dong Nyung Lee. Estimation of the Magnetic Pressure in Tube Expansion by Electromagnetic Forming Journal of Material Processing Technology. 1996 (57: 311-3
22、15 23 B. Bendijima, M. Feliachi. Finite element analysis of transient phenomena in electromagnetic forming system. Computation in electromagnetics. IEE conference publication 420. 1996, 10-12: 113-116 24 M. Kaltenbacher, H. Landes, R. Lerch, A strong coupling model for the simulation of magnetomecha
23、nical systems using a predictor/multicorrector algorithm. J. appl. Comput. Electromag. Soc. 1997, 12: 102-10625 F. Azzouz et al Application of Macro-Element and Element Coupling for the Behaviour Analysis of Magnetoforming System. IEEE Transactions on Magnetics. 1999, 35 (2: 1845-1848 26 H. Mohelleb
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电磁 成形 技术 理论 分析 研究进展
链接地址:https://www.31doc.com/p-4658502.html