板料电磁温热成形均匀压力线圈结构及参数优化研究

论文摘要

对于平板件成形一般多采用的是平板螺旋线圈。但由于电磁力分布不均匀,应用范围受到很大的局限,仅适合于简单的压印、压凹、冲裁。而均匀压力线圈不仅能够提供均匀压力,而且磁场能量损失较小,效率较高。另外,由于线圈同时受到板料和凹形导槽的反作用力,有利于提高线圈的使用寿命。故相比较现在普遍使用的平板螺旋线圈,均匀压力线圈在平板电磁成形中有明显优势。成形时,线圈的工作条件苛刻,不仅须承受高达几千安的冲击电流和几千伏的输入电压,还需承受由此产生的近千个数量级的加速度。另一方面,为了满足操作的安全需要,必须采用封闭的绝缘外壳,而这将导致线圈散热困难。特别是在温热成形的环境中,会使线圈的工作温度升高,影响材料强度,进而加速线圈失效。因此,必须从线圈的绝缘强度、机械强度、耐热性能、转换效率等方面综合考虑,进行线圈结构参数优化。本文讨论了均匀压力线圈电磁成形的磁场特性,利用ANSYS有限元分析软件对均匀压力线圈电磁成形的磁场进行了模拟,得到了平板线圈磁场和磁场力的分布情况。研究结果表明：除了板坯端部由于端部效应电磁力有些许发散,在板坯大部分区域,磁场力呈均匀分布。同时讨论了不同结构参数（线圈截面形状、线圈匝间距、线圈高度、线圈与板坯长度比、线圈与板坯间距）对板坯及线圈电磁力的影响,进行线圈结构参数的优化。电磁成形过程中会产生热量,而温度升高会改变线圈及板坯的电导率、磁导率,从而对电磁力产生影响。本文通过磁场-温度场全耦合,得到修正后的磁场力,并通过磁场-应力场耦合得到应力分布,获得线圈在工作中的载荷谱。再通过Fatigue Tool疲劳分析模块,依据线圈疲劳应力-寿命方法,综合考虑应力、载荷条件与疲劳强度系数等疲劳影响因素并按线性累积损伤理论对均匀压力线圈进行疲劳计算,得到疲劳寿命估算值。对比原始均匀压力线圈,验证结构参数优化后疲劳寿命有所提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电磁成形技术及其研究现状
• 1.2.1 电磁成形技术特点
• 1.2.2 板料电磁温热成形工艺研究最新进展
• 1.3 电磁线圈研究现状
• 1.3.1 板料毛坯电磁成形线圈的研究及应用
• 1.3.2 线圈结构研究及应用
• 1.3.3 有限元分析技术在线圈耦合场中的应用现状研究
• 1.4 疲劳失效有限元分析
• 1.5 本文主要研究目的、内容及主要研究路线
• 1.5.1 本文主要研究目的
• 1.5.2 本文研究内容
• 第二章 均匀压力线圈结构及电流测量
• 2.1 电磁成型线圈分类
• 2.1.1 平板线圈
• 2.1.2 螺线管线圈
• 2.1.3 带集磁器线圈
• 2.1.4 匀压力线圈
• 2.2 初始线圈设计及缺陷
• 2.2.1 初始线圈设计
• 2.2.2 存在的问题
• 2.3 放电电流测量实验
• 2.4 放电电流电路模拟
• 2.4.1 放电电流电路模拟原理
• 2.4.2 放电电流电路模拟分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 均匀压力线圈电磁成型电磁场有限元分析
• 3.1 电磁场分析基础理论
• 3.1.1 麦克斯韦方程
• 3.1.2 麦克斯韦方程组形式
• 3.1.3 场矢量和位函数的微分方程
• 3.1.4 时变电磁场中的电磁位
• 3.1.5 二维涡流分析中的矢量磁位方程
• 3.2 电磁场分析预处理
• 3.2.1 电磁场分析方法的选取
• 3.2.2 定义材料及加载方式
• 3.2.3 均匀压力线圈磁场模型的建立
• 3.2 均匀压力线圈磁场模拟结果及分析
• 3.4 线圈结构参数对磁场力的影响
• 3.4.1 线圈形状对磁场力影响
• 3.4.2 线圈高度对线圈受力影响
• 3.4.3 线圈匝间距对电磁力影响
• 3.4.4 线圈与板坯长度关系对电磁力影响
• 3.4.5 线圈与板坯间距对电磁力影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 均匀压力线圈电磁成形耦合场有限元分析
• 4.1 ANSYS耦合场分析的类型
• 4.2 顺序多场耦合分析步骤
• 4.3 在物理分析之间传递载荷
• 4.4 均匀压力线圈电磁成型耦合场有限元分析
• 4.4.1 耦合场模型的建立
• 4.4.2 温度场模拟结果及分析
• 4.4.3 应力场模拟结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 均匀压力线圈疲劳寿命估算
• 5.1 随机疲劳累积损伤理论
• 5.1.1 等效损伤状态
• 5.1.2 S-N疲劳曲线
• 5.1.3 疲劳累积随机损伤
• 5.2 有限元疲劳分析
• 5.2.1 疲劳计算的步骤
• 5.2.2 定义材料疲劳特性
• 5.2.3 线圈疲劳结果及分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文