关键词： 电磁成形   驱动导体环   感应涡流   电磁力   均匀度  

摘要： 为实现电磁成形中电磁力的可控加载，提升板件成形效果，本文提出了一种基于驱动导体环的板件电磁成形技术。该技术在板件与驱动线圈之间引入一驱动环，通过改变驱动环的材料参数与几何参数实现电磁力的调控。基于特定的AA1060铝板(铝板半径70mm，铝板成形区域半径50mm)进行了仿真研究。仿真数据表明，驱动导体环的材质和几何结构的变化可以改变感应涡流从而实现电磁力的调控。与传统板件电磁成形相比，基于驱动导体环的板件电磁成形均匀成形范围Dr提高了1.61倍。在仿真基础上，通过驱动导体环板件电磁成形实验验证了仿真模型的可靠性。综上所述，基于驱动导体环的电磁成形技术能有效提高板件的成形均匀度。

关键词： 电磁胀形   双向电磁力   均匀性  

摘要： 为解决传统板件在电磁胀形中变形不均匀的问题,提出一种基于双向电磁力加载的板件电磁胀形方法。通过COMSOL模拟软件建立了板件电磁胀形的二维轴对称仿真模型,在阐明板件电磁胀形基本原理的基础上,研究了系统结构参数对板件成形均匀性的影响,并与传统电磁力加载方式进行了对比分析。结果表明,双向电磁力加载可有效抑制板件中间区域的凸起,使得板件成形均匀性大幅度提高。在胀形高度保持一致的情况下,板件最大均匀变形区域由22.5 mm增加到61.2 mm,增加为原来的2.7倍。因此,通过设计合理的系统参数,双向电磁力加载方法可改善板件电磁胀形均匀性不足的问题。

关键词： 电磁成形   动态特性   管件   吸引力   AZ31镁合金  

摘要： 镁合金作为目前工程应用中最轻质的金属结构材料之一,因其多种优良特性而广泛应用于轻量化设备制造中。然而,镁合金在室温下的塑性形变能力较差,传统加工工艺难以满足镁合金工件成形制造的需求。利用电磁力驱动金属材料发生高速变形的电磁成形技术可有效解决上述问题,其极高的应变速率能显著改善镁合金材料的成形性能,提升室温下的成形极限。然而,目前关于镁合金电磁成形的研究,大多使用驱动片与加热装置辅助,其工装较为复杂,且工件变形质量难以保证;辅助装置的添加也难以用于微小管件的成形。因此该文提出室温下的镁合金管件电磁吸引式成形方法,通过建立有限元仿真模型,在理论上验证了其成形方案的可行性;进一步分析了放电参数、电磁参数对管件运动状态的调控规律,阐明管件变形过程中工件的动态特性。上述结论可为线圈结构设计和放电参数设计提供指导。

关键词： 微小铝合金管件   电磁翻边   吸引式电磁力   集磁器  

摘要： 针对微小铝合金管件电磁翻边工艺,现有方法将驱动线圈置于管件端部外侧,利用双频电流法产生吸引式电磁力实现翻边。然而其翻边能力不强,基于此提出一种带集磁器的吸引式电磁力翻边方法。在现有方法基础上引入集磁器,利用其能够改变磁场位形的特点,优化电磁力分布并增大轴向电磁力,达到增强翻边效果的目的。为验证该方法的可行性,通过搭建管件翻边过程的电磁-结构全耦合有限元仿真模型,对比引入不同集磁器后的翻边效果,同时分析了不同工况对电磁力分布、电磁力密度以及磁场和涡流的影响。得出阶梯型集磁器效果最佳,结果表明,该方法下管件翻边角度从38°增大到90°。进一步分析表明,其磁通密度径向分量和涡流密度环向分量分别增大到164%和135%,作用在管件上的电磁力分布改变,峰值时刻轴向电磁力体密度明显加强,增大到211%。该方法进一步完善了对微小铝合金管件的电磁翻边成形,对拓展电磁成形技术在铝合金管件翻边上的应用具有一定意义。

关键词： 电磁成形   能量利用率   塑性能   双板-管模型  

摘要： 为了提高电磁成形能量利用率,提出了一种使用单驱动线圈实现板件和管件同时加工的电磁成形方法。根据电磁成形的原理和能量转换规律,提出了一种新的双板-管电磁胀形模型,与传统单板件电磁胀形模型和传统单管件电磁胀形模型进行对比。分析了工件的磁通密度分布、电磁力分布和能量利用率,研究了驱动线圈电流的等效脉冲宽度对电磁成形能量利用率的影响。结果表明,在相同的系统放电参数下,传统单板件电磁胀形最佳能量利用率为5.05%,传统单管件电磁胀形的最佳能量利用率为9.80%,而同时实现板件与管件加工的双板-管电磁胀形的最佳能量利用率为11.85%。显然,双板-管电磁胀形技术能够在一定程度上改善电磁成形能量利用率低下的问题,且可以同时成形板件与管件。

关键词： 电磁翻边成形   圆孔翻边   双板件   成形效率   塑性应变能  

摘要： 针对电磁翻边成形技术成形效率低的问题,提出了双板件电磁翻边成形技术。在阐明双板件电磁翻边成形原理的基础上,构建了传统单板和双板件两组仿真模型,并从驱动线圈电流波形、磁通密度、电磁力、塑性应变能、成形效率5个方面进行对比分析。结果表明:在相同的放电能量下,双板件仿真模型的塑性应变能比传统单板提高了52.28%;在相同的翻边角度下,双板件仿真模型所需的放电能量仅为传统单板仿真模型两次放电能量的60.60%,能量利用率提高了39.40%。双板件电磁翻边成形技术可使用单个驱动线圈同时实现两个板件的翻边,能够有效地解决电磁翻边成形效率低的问题,促进了电磁翻边成形技术在工业领域的广泛运用。

关键词： 电磁成形   匀压力线圈   数值模拟   洛伦兹力  

摘要： 阐述高效率匀压力板件电磁成形电磁力分布规律,改变原有结构,使原有的一体一面成形转化为一体多面,从而提高了能量转换效率,改善电磁成形效果。

关键词： 电磁脉冲焊接   平板集磁器   涡流分布   集磁器电流计算方法   工艺改进  

摘要： 电磁脉冲焊接技术在异种金属焊接领域展示出广阔的应用前景。单匝平板线圈是目前电磁脉冲板件焊接的主要电磁力机构,具有结构简单、装配方便、成本较低等优点,但也存在能量利用率低、磁场分布分散等问题。多匝线圈能够提高电磁脉冲焊接系统的能量利用率;集磁器可提高焊接区域磁通密度,改善电磁力分布。以多匝线圈和集磁器为电磁力机构可以提高电磁脉冲焊接系统的能量利用率和焊接效果,扩大系统适用范围。在研究较为充分的管件电磁脉冲焊接领域,多匝线圈与集磁器已经成为主流的电磁力机构。目前,平板集磁器及对应的多匝线圈鲜有研究,尤其是平板集磁器结构、涡流分布、焊接效果之间尚无明确对应关系,致使在其实际使用中结构参数的确定较为盲目,制约了平板集磁器的应用。因此,面向平板工件,优化设计平板集磁器具有重要的科学意义和应用价值。为此,本研究以多匝线圈和平板集磁器为电磁力结构的板件焊接为研究对象,构建三维多物理场仿真模型,优化平板集磁器结构,探究平板集磁器涡流分布规律,搭建电磁脉冲板件焊接平台,并开展电磁脉冲板件焊接实验。具体内容如下:(1)基于平板集磁器的电磁脉冲板件焊接仿真研究。建立了耦合电路和磁场的三维数值仿真模型,仿真分析平板集磁器在工作过程中的磁场分布情况,以铝板上表面磁通密度为集磁性能的评价指标,分析得到平板集磁器高度、上表面直径、上孔直径等结构参数对集磁效果的影响规律;首次发现集磁器缝隙面涡流存在的分叉现象,并在此基础上率先提出考虑漏回路的集磁器等效电路模型,进而得到了集磁器结构参数对涡流分布的影响规律,最终揭示结构参数与涡流分布和集磁效果三者间的关系规律,给出平板集磁器的最优结构。此外,在焊接效果方面,所建立的三维仿真模型能够有效的反映焊接过程中的电磁参数变化和铝板运动行为,电磁参数和铝板变形均为呈现多层月牙形貌;在集磁器的受力分析方面,探究了平板集磁器的静态变形情况和动态受力分析,得到了平板集磁器结构参数对结构强度的影响规律。(2)电磁脉冲板件焊接平台搭建。针对平板集磁器结构特点,研制出平板集磁器电磁力机构和相应连接装置;研制了安全智能电磁脉冲焊接控制系统,可有效避免误操作风险,实现焊接过程参数可调、设备状态可控。在此基础之上,完成了电磁脉冲焊接平台的搭建与测试,后续顺利开展实验研究提供基础。(3)电磁脉冲板件焊接实验及工艺改进。基于不同结构平板集磁器、不同放电电压的平板集磁器开展电磁脉冲板件焊接实验,通过力学拉伸测试、金相显微镜、扫描电子显微镜等手段对比焊接效果,实验结果表明锐角集磁器的焊接效果最佳,实验的样品宏观形貌、焊接效果均与仿真结果一致;针对板件焊接中铝板表面鼓包缺陷,结合仿真探讨其诱因,提出了鼓包抑制措施并予以实验验证。此外,还提出了基于平板集磁器、无需垫片就可实现焊接的电磁脉冲焊接方法,并开展实验验证。综上所述,本文开展的电磁脉冲板件焊接平板集磁器优化设计与实验研究为集磁器的设计与应用提供了参考依据和科学支撑,丰富了电磁脉冲焊接技术的研究内容,有望推动电磁脉冲焊接技术的发展。

关键词： 电磁翻边   线圈电参数计算   数值模拟   近似模型   参数优化  

摘要： 在“双碳”的新时代背景下,轻量化技术成为交通运载工具实现节能与环保的重要手段。轻量化技术的关键是材料轻量化,铝合金作为轻质金属材料的首选,常用来制作航天运载火箭上的燃料贮箱。为了提高贮箱与燃料管路的焊接强度,需要在箱体上加工翻边特征。但铝合金在室温下的成形性能差,若采用传统工艺翻边容易产生裂纹。而电磁翻边技术能有效的提高金属板件的成形极限,降低材料起皱和回弹的可能性。线圈是电磁翻边的关键工具,能将电容器储蓄的电能转变为工件的塑性变形能。因此,本课题将通过对电磁翻边线圈的结构参数进行优化设计与研究,进一步提高电磁翻边工艺的翻边质量。具体研究如下:首先,对电磁翻边的放电系统进行了数值计算:通过对电磁翻边的工作原理及电路进行分析,发现了放电电流曲线主要与电路的电阻和电感有关;于是通过数学解析式及有限元模型计算了线圈自身的电阻与电感;再结合电路中其他设备的电参数得到了整个系统的等效电参数;将其代入电流曲线表达式最终得到了线圈工作时的系统放电电流。将计算得到的电流曲线与实测结果对比,进一步证实了电流曲线计算方法的准确性,为后续电磁翻边数值模拟模型的建立做好前期准备工作。其次,探索了一套线圈参数优化的流程,对圆形孔电磁翻边的线圈进行了单目标优化:基于松散耦合法,建立了圆形孔电磁翻边的二维数值模拟模型;再根据圆形孔翻边的贴模不良问题,将贴模距离确定为优化目标、翻边高度和端口减薄率确定为约束条件;接着通过对线圈的结构参数进行灵敏度分析,确定了线圈内径、两个匝间距、两个截面高度、五个截面宽度共十个优化设计变量;下一步通过最优拉丁超立方取样法获取了600组样本点,根据样本点建立数值模拟模型,并根据计算结果建立了响应面构似模型;再通过序列二次规划法寻找到线圈的最优结构参数组合;并通过数值模拟和实验对比了线圈优化前后的翻边结果。结果表明,优化后的线圈能使板料获得更大的电磁力和更合理的电磁力分布,不仅改善了翻边件的截面轮廓形状,还提高了翻边件的贴模性。最后,基于线圈参数优化流程,对椭圆孔电磁翻边的线圈进行了多目标优化:基于顺序耦合法,建立了椭圆孔电磁翻边的三维数值模拟模型;再根据椭圆孔翻边中出现的长轴贴模不良,端口不齐等问题,确定了长轴减薄率、贴模距离、长短轴高度差共三个优化目标;接着根据Plackett-Burman实验进行参数的敏感性分析,确定了长轴内径、长短轴比例系数、四个截面宽度、四个截面高度共十个优化设计变量;下一步通过最优拉丁超立方取样得到360组样本点,并建立了适应度更高的椭圆基神经网络近似模型;再使用非支配遗传算法求解得到了Pareto解集;而后通过对Pareto解集的综合分析确定了一个最优权衡解,并通过对线圈优化前后产生的电磁力及翻边件变形情况对比,验证了优化线圈的翻边性能。结果表明,优化后线圈的椭圆形翻边件各部位均有较高的贴模性,端口高度平齐且无裂纹。

关键词： 电磁成形   板件成形   匀压力成形   脉冲升流器   洛伦兹力  

摘要： 电磁成形是通过洛伦兹力实现工件塑性变形的一种特种能场成形制造技术,可显著提高材料的成形极限、降低残余应力和回弹等,在铝合金等轻质合金成形制造领域具有重要的应用前景。在已有的研究中,线圈是电磁成形系统的核心部件,其产生的脉冲磁场在金属工件中以电磁感应的方式形成涡流和洛伦兹力。然而,成形过程中的强磁场、高电压、大电流等运行工况导致线圈中承受高冲击机械载荷和热载荷,进而使得电磁成形能力因线圈寿命问题而受限。此外,现有电磁成形技术在绝大多数场合都属于非匀压力成形,在一定程度上限定了其应用范围。针对上述问题,本文以1060-H24铝合金板件为研究对象,结合数值分析和实验研究,开展了无线圈通流式电磁成形技术研究,系统探究了不同电磁和结构参数下工件的变形行为,并发展了基于脉冲升流器的全新通流成形技术,相关研究对于拓展电磁成形技术及应用具有重要的现实意义。主要研究内容和成果如下:首先,在数值模型研究方面,基于LS-DYNA建立了1060-H24铝合金板件通流成形系统的电路-电磁-结构场三维耦合数值模型,充分考虑了板件间电磁耦合作用及变形过程对放电电流和电磁力的影响,并分析了电磁求解步长和矩阵更新频率等设置对求解精度的影响。同时,搭建了通流成形实验系统并对比了仿真和实验中的电流曲线和成形高度,结果表明吻合度较好,验证了仿真模型的正确性。其次,在通流成形行为研究方面,开展了单拱和多拱模具下板件的动态成形过程及变形均匀性调控研究。单拱和多拱成形的数值和实验结果表明,通流成形可以在金属板件上产生均匀的洛伦兹力分布,实现匀压力成形;由于线路阻抗的存在,板件长度或拱形数量的增加对放电电流和成形量影响较小,从而可通过降低线路阻抗或者增加板件数量来提高成形效率。同时,通过仿真进一步探究了板件电流频率和电导率对成形均匀性的影响,结果表明在相同放电能量条件下,随着电流频率的降低,板件成形高度的横向不均匀度逐渐降低并最终趋于不变,同时板件成形高度先升高后降低,存在最优电流频率使得成形效率最大;板件横向不均匀度随着板件电导率的升高逐渐变大,而板件成形高度变化较小。最后,提出并研发了基于脉冲升流器的板件通流成形系统,以降低对开关、电源等核心部件通流能力的需求。通过Comsol Multiphysics有限元仿真软件建立了脉冲升流器的二维轴对称多物理场全耦合模型,详细分析了绕组匝数、升流器结构尺寸等对输出电流幅值和升流系数的影响,在此基础上,提出通过提高升流器半径来降低负载阻抗对带载能力的影响。副边短接测试实验结果表明,所研发的脉冲升流器副边电流幅值达96.5 k A,升流系数为29.6。此外,将该升流器应用于通流成形实验,发现升流器可以提高通流成形的能量利用率,且成形效率受线路电阻影响小。