管件电磁缩径成形的有限元分析

【摘要】进入21世纪以来，科技的发展可谓日新月异，人们对于产品性能及其制造方法的要求也越来越高。机械加工行业也是如此，低成本、高性能、无污染成为追求的目标。为了有效的减小环境污染、降低能源消耗，材料以及结构设计的轻量化已成为现代制造业的主流趋势，以铝合金为代表的轻质合金材料在制造领域的应用日益广泛。但是，铝合金等在室温下成形性能差、刚度低，采用普通冲压成形工艺容易产生撕裂，卸载后回弹严重并容易产生扭曲，难以得到符合精度要求的零件。电磁成形是金属在强脉冲磁场中受力而发生塑性变形的一种高速的成形方法，在高速成形时，材料的力学性能可以得到很大的提高，采用电磁成形工艺进行铝合金件的成形是提高其塑性的一个研究方向。目前，大多学者仍采用传统的试验与理论计算相结合的研究方法，但此法用于电磁成形分析比较繁琐，且成形过程的许多瞬态变量无法考究。随着计算机技术的发展，以及有限元理论的日益成熟，近年来国内外学者开始采用有限元法对管件电磁成形进行模拟研究，并逐渐成为分析工程电磁场问题的主要工具手段。本文在若干合理简化的基础上利用ANSYS对管件电磁成形过程进行了有限元仿真。首先分析了管件电磁缩径成形有限元的基本理论，为管坯变形的有限元数值模拟奠定了理论基础。即，系统分析了电磁场有限元模型的对称性和边界条件，介绍了电磁成形结构场弹塑性有限元基础，涉及屈服准则、强化准则和本构方程等。基于管件电磁成形的电磁-结构耦合场的有限元数值模拟分析，建立了电磁分析的数学模型，选择物理环境法作为耦合场的求解方法。在管件电磁成形过程中，成形系统电参数和结构参数实时变化更新，使得模拟操作非常困难。所以，文中利用有限元软件ANSYS的APDL参数化设计，将电流密度作为激励进行加载，编制了电磁-结构耦合数值模拟计算程序。其次，在有限元模型建立后，对管件电磁缩径成形进行了加载计算及后处理，模拟分析了管件整个成形过程的受力及变形。并在此基础上探讨了系统主要工艺参数的变化对管件成形的影响，通过单因子变量与多因子变量分析相结合论证了载荷频率、线圈高度以及管坯与线圈间距大小对管件成形影响的显著性。最后，对添加集磁器的管件成形进行了模拟分析，通过对比分析揭示集磁器对管件电磁成形的影响。并对集磁器结构的变化，材料的变化进行了拓展分析。总之，通过模拟分析发现管件电磁成形，其成形速度快，管件受力较好，能够取得良好的成形效果。利用不同参数下管件受力及变形的对照，可以从理论上得到工艺参数的最优值，如本文在载荷频率为5.88KHZ时径向管件位移最大。有无集磁器的管件电磁成形结果的对比说明，集磁器的添加的确能够改变管坯及线圈的受力，管坯的受力分布随集磁器结构的变化而变化，且添加集磁器能够延长线圈的使用寿命。
【作者】谢宏；
【导师】宋家旺；
【作者基本信息】吉林大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】电磁成形；有限元；管件缩径；磁场力；集磁器；

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