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。

关键词： 电磁成形   小管件   放电参数   集磁器  

摘要： 电磁成形技术能够有效地提高铝合金材料成形性能、抑制管件成形回弹,且具有成形速率高、成形过程易精确控制、表面质量高等许多优点,这些均显示电磁成形技术良好的应用前景。虽然现有的电磁成形技术针对小管件吸引式成形有一定的研究进展,但更多集中于电磁力的加载方式却忽略了对电磁力的有效增强方式。并且成形线圈结构与管件结构相匹配,吸引式成形为越靠近线圈则作用效果更为明显,因此制造一套吸引式成形线圈装置仅仅适用于一种尺寸管件的吸引式成形,工艺制造成本极高。基于此,本文通过加装集磁器改善线圈受力以及规避线圈绕制的复杂工艺,实现对小管件的吸引式成形效果的优化。目前的研究更多的是关注工件的成形效果,鲜有带集磁器的吸引式成形研究。更未对集磁器吸引式成形在电磁成形的电-磁动态过程和机理层面展开研究。究其原因:电磁成形的过程极短（μs-ms级）,导致其动态过程难以实现实时的观察和检测,故通过仿真手段对其进行分析更为可行以及高效。因此,本文针对其动态过程进行研究,详细分析了带集磁器的小管件吸引式电磁成形过程。首先,本文详细论述了带集磁器的管件吸引式电磁成形方法的基本原理,并根据其原理阐明了该方法的特点与实现条件,搭建了带集磁器的管件电磁成形多物理场全耦合仿真模型。其次,本文探究了成形过程中集磁器上的感应电流密度在时空分布上的变化规律,并对管件电-磁动态以及受力运动进行了分析,阐明了集磁器的引入对管件的吸引式成形优化作用。最后,基于管件成形过程中的影响因素,分别从电源的放电参数以及集磁器的结构参数上对管件的吸引式成形进行系统性优化。结果表明:（1）集磁器的引入能够有效提高成形电磁力,增大管件变形。（2）线圈的轴径向匝数影响集磁器表面感应电流的大小以及分布,对线圈结构在设计时进行大量的计算分析,以得到一个合理的结构参数。（3）长脉宽放电参数的选择直接影响到管件吸引式成形前的缩颈状态,适当调大长脉宽的放电电流波形脉宽,抑制管件缩颈程度,有助于管件最终成形。（4）短脉宽放电参数的选择直接影响到管件吸引式阶段的有效成形,适当减小短脉宽的放电电流波形脉宽,增强管件吸引阶段胀形程度,有助于管件最终成形。（5）随着集磁器高度的增加,管件最终成形区域靠近两端胀形量有一定程度的增大。在对集磁器进行设计时,可考虑适当增加集磁器高度。（6）随着集磁器厚度的增加,管件的最大胀形量得到增大,但对管件两端成形区有一定程度的削弱。若需增大管件胀形量的同时增大管件胀形区域,在对集磁器进行设计时,可综合考虑对集磁器的厚度参数以及高度参数的选择。相关研究结果能够对带集磁器的小管件吸引式成形系统的设计起指导作用,并加深对小管件吸引式电磁成形过程的理解,对于拓展电磁成形技术在管件加工上的应用具有重要意义。

关键词： 板件成形   电磁成形   大尺寸板件   分布式结构   脉冲强磁场  

摘要： 电磁成形作为一种高速率成形工艺,因其能够提升材料成形性能等优势,在航空航天结构件制造方面展现出巨大的潜力。然而在大尺寸铝合金板件成形制造上,传统单线圈电磁成形方法始终受到了大尺寸线圈制作成本高昂、工艺复杂的限制。针对上述问题,提出了一种分布式电磁成形方法,通过多个模块化线圈在空间上阵列分布来代替传统的单线圈电磁成形系统,突破了线圈设计的几何尺寸限制。本文基于分布式电磁成形系统,在仿真模拟、装置研制及实验等方面开展了系统性研究,对分布式电磁成形方法在大尺寸铝合金板件加工上的可行性进行了探索。 首先,阐述了分布式电磁成形的基本原理,讨论了模块化线圈空间分布、电源配置以及电流极性配合的设计要点;通过理论分析证明,环状阵列的分布式电磁成形系统中,相邻线圈环之间通以极性相反的电流有利于获取更大更均匀的成形力场分布;在此基础上,依托LS-DYNA软件构建了高精度的数值仿真模型,为板件变形行为的精准预测提供了有效分析手段。 其次,基于相对小的平台对分布式电磁成形方案进行了探索,确立了包括空间分布、电源配置及模块化线圈设计在内的分布式电磁成形系统设计流程。通过数值仿真,分析了不同放电电压与放电时序影响下工件成形形貌的调控机理与变形行为的基本规律,并通过实验对规律进行了验证,为分布式电磁成形方法向更大尺寸板件整体成形方向进行推广奠定了基础。 最后,针对直径1378 mm的AA5083-O铝合金板件搭建了1000 mm级分布式电磁成形实验平台,基于该平台进行了单次放电成形实验研究,得到了成形高度为195.4 mm的成形工件。为改善分布式电磁成形中板件起皱的现象,提出了一种将成形板件旋转角度之后再进行二次放电校形的方法,并验证了该方法对板件起皱的抑制效果。最终结果充分证明了分布式电磁成形方法在大尺寸板件加工上的可行性,对大尺寸铝合金板件整体成形技术的发展起到了积极的推动意义。

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： 电磁脉冲焊接   镁合金   铝合金   各向异性   接头强度  

摘要： 镁合金、铝合金作为轻质材料,因具有优异性能可替代传统钢材而广泛应用于轻量化设备制造中。然而,由于镁合金与铝合金物理、化学性能存在差异,使得传统工艺难以实现两者之间的良好焊接。电磁脉冲焊接(EMPW)借助电磁力实现金属材料的冶金结合,有望解决镁合金、铝合金的焊接难题。为探究电磁脉冲焊接镁合金-铝合金的可行性及影响因素,该文从电磁脉冲焊接原理着手,研制出一套28kJ的电磁脉冲焊接设备原型机,并在此基础上研究镁合金板(基板)、铝合金板(飞板)电磁脉冲焊接所需外部条件(放电电压和焊接间隙)以及镁合金自身力学特征对焊接条件的影响。结果显示:电磁脉冲焊接技术能够实现镁合金、铝合金板件的可靠焊接;在一定范围内,放电电压的升高能够提高接头的机械性能;焊接间隙的增加使接头的机械性能先提高后降低。此外,镁合金板件自身特殊结构导致的力学各向异性也将影响接头的机械性能,相同条件下,与轧制方向成0°时,焊接所得接头拉伸强度最佳;与轧制方向成90°时,接头拉伸强度最低。该文可为电磁脉冲焊接镁合金-铝合金板件提供技术支撑和理论参考。

关键词： 电磁成形   双线圈   板件   吸引力   涡流竞争  

摘要： 电磁成形是利用脉冲电磁力实现轻质合金快速塑性成形的一种高能率加工技术,可显著提高材料的成形极限并改善成形性能。吸引式电磁成形则是其中的一种独特应用,利用两种不同脉宽的电流驱动同一线圈来产生吸引式电磁力,适用于板件凹痕修复、微小管件成形等领域。单线圈结构对两种电流的参数匹配要求非常严格,且能量利用效率极低。为解决这一问题,该文提出两种电流各自驱动一个线圈的双线圈结构吸引式电磁成形方案,并进行仿真验证。然而研究过程中发现,双线圈结构带来新的涡流密度竞争现象,将会引起成形缺陷。为了消除这一缺陷,该文进一步研究涡流竞争产生的原因和机制,最终通过调整线圈的结构参数,在直径200mm的AA1060-H28铝合金板件双线圈吸引式电磁成形方案中,消除成形缺陷。相关研究结果能够加深对吸引式板件电磁成形过程的理解,对于拓展电磁成形技术在板件加工上的应用具有重要意义。

关键词： 电磁翻边   板件   双向加载   电磁力特性  

摘要： 翻边工艺是航空航天、汽车工业等领域制造加工过程非常重要的一项工序,其直接影响着材料的成形精度与工件的装配质量。铝合金作为轻量化材料的重要代表,在制造加工业扮演着重要角色。传统翻边加工工艺难以解决其室温下塑性低、回弹高、易撕裂等问题,严重阻碍了制造加工业的发展。电磁翻边技术是一项利用脉冲电磁力驱动金属工件高速率成形的新型加工工艺,因此得到了广大学者的广泛研究。目前,板件电磁翻边技术通常采用单线圈加载方式,翻边过程主要靠轴向电磁力驱动板件发生形变。然而,板件翻边过程由轴向胀形和径向扩径两个部分组成,单线圈加载的电磁力特性显然无法满足板件翻边过程的力场需求。为此,本文在单线圈加载的基础上提出采用轴向-径向电磁力双向加载式板件电磁翻边方法,通过引入另一线圈来增大板件翻边过程所需的径向电磁力。为了实现上述目标,本文分别从双线圈-双电源加载和双线圈串联加载两个线圈组合角度,对本文提出的方法开展研究。拟从系统放电电压和线圈结构参数两个方面着手,力图优化电磁力特性,降低翻边能耗,提升成形质量。本文的主要研究过程如下:首先,分析了单线圈加载式板件电磁翻边过程,分别从系统电压和线圈匝数两个角度揭示了单线圈加载的局限性。一、增大电压的同时线圈中的放电电流也随之增大,板件整体电磁力分布并没有得到根本的改变。二、调节线圈匝数只能很小程度的优化板件的翻边效果,板件整体的电磁力大小并没有得到较大提升。然后,基于单线圈加载时系统电压变化对板件翻边的影响规律,对双线圈-双电源加载方式进行系统电压研究。仿真结果表明,双线圈-双电源加载方式中轴向线圈的放电电压对板件翻边过程有决定性影响。轴向和径向线圈的放电电压分为3.1kV和2.9kV时板件的翻边效果最好,板件翻边高度达19.2mm。双线圈-双电源系统和单线圈系统对比发现,双线圈-双线圈加载时的线圈电流更小,板件径向位移更大贴膜性更好。最后,基于单线圈加载时线圈匝数变化对板件翻边的影响规律,对双线圈串联加载方式进行线圈结构研究。仿真结果表明,双线圈串联加载方式下径向线圈的匝数对板件翻边过程有更大的影响。放电电压3kV时,轴向和径向线圈匝数分为2×4匝和4×4匝时的板件翻边效果最好,高度可达17.1mm。相同放电电压下双线圈串联系统和单线圈系统对比发现,双线圈串联系统可有效提升径向电磁力,板件的轴向和径向位移均得到了较大提升,且能降低板件翻边贴膜所需的能耗。

关键词： 电液成形   径向电磁力   材料流动控制   数值仿真   筒形件成形  

摘要： 电液成形是一种基于水下电爆炸的高速率成形方法,在航空航天、汽车等领域具有广阔应用前景。但在当前板件电液成形应用中,变形模式单一,材料流动少,存在成形高度有限、成形均匀性差以及变形调控不灵活等问题,因而无法实现金属材料流动较为剧烈的复杂零件成形,很容易出现严重减薄甚至破裂。针对上述问题,本文提出径向电磁力辅助的电液成形方法。通过径向电磁力促进板件的材料流动,在材料胀形的基础上引入拉深变形模式,从而提高了成形的极限高度与调控灵活性。基于提出的径向电磁力辅助电液成形方法,系统地开展了板件自由成形与筒形件成形数值模拟与实验研究,相关研究成果对理解电液成形动态过程、拓展电液成形应用场景具有一定的理论价值和实践意义。首先,阐述了径向电磁力辅助的板件电液成形方法原理,在此基础上依托国家脉冲强磁场科学中心的实验平台,完成了电源系统的参数选择、电液成形装置与电磁成形装置的设计与搭建,并基于实验平台开展了放电时序配合与装置重复性的测试。其次,实现了径向电磁力辅助电液成形的数值建模。分别建立了液电效应数值模型、电磁力计算模型与板件材料模型,并通过商用软件LS-DYNA完成了数值模型之间的耦合。在电磁力计算模型中,将径向电磁力简化成加载在板件侧壁的磁压强,并根据板件侧壁到线圈中心的距离对磁压强的值进行更新,实现了对板件变形行为的精确模拟并显著提升了模型计算效率。然后,基于径向电磁力辅助电液成形方法,开展了板件自由成形的数值分析与实验研究。实验结果表明:在合适的放电时序与线圈电压下,相比常规电液成形方法,径向电磁力辅助电液成形方法可以提升板件自由成形的极限高度至少20%。仿真得到的板件成形高度、材料流动、成形轮廓以及破裂情况与实验结果有较高的吻合度,验证了仿真模型的可靠性。借助数值仿真模型,展现了板件成形的动力学行为,依据板件中心成形速度的变化,将成形过程划分为四个阶段,在此基础上分析了放电时序、线圈电压对各成形阶段的影响机理,加深了对电液成形动态过程和径向电磁力作用机制的理解。最后,开展了筒形件电液成形的数值分析与实验研究。仿真和实验结果表明:常规电液成形方法因其材料流动少,难以成形筒形件,而基于径向电磁力辅助的电液成形方法,促进了材料流动,可以实现“高度高、拉深比大、倒角半径小”的筒形件成形。通过仿真分析,明确了基于径向电磁力辅助电液成形方法的筒形件成形策略与实验参数。最终,实验成功实现了拉深比为2.6的30 mm至45 mm高度的筒形件成形,其中30 mm高的筒形件倒角半径仅为3 mm,展现了新方法在筒形件成形应用方面的优势。