强脉冲电磁力驱动的冲击载荷研究

摘要

冲击载荷在工业生产及科学研究中具有一定的需求，目前通常采用落锤、摆锤或炸药爆炸等产生，落锤较为常用。近年来的有关研究表明，冲击速度对于材料晶粒细化程度、金属材料的变形性能、粉末压实的致密度等都有很大的影响。受试验条件限制，落锤很难继续提高冲击速度，寻求具有一定冲击速度及冲击能量，而且安全、可靠的冲击载荷，显得尤为必要。国内外已将强脉冲磁场应用于金属成形领域，并已在相关的研究中论及其所具有的冲击效应，但还没有对其驱动的冲击速度及能量作进一步的探讨。因此研究强脉冲电磁力驱动的冲击载荷具有重要意义。
　　强脉冲电磁力驱动的冲击理论分析的难点在于冲击过程中电磁场的变化是与冲头运动是互相影响的。电磁力使冲头运动，冲头运动使电磁场分析模型参数发生改变，影响电磁力，需用耦合场分析求解。
　　首先，本文进行了强脉冲电磁力驱动的冲击机构的设计。包括强脉冲磁场发生及压缩冲击部分。分析了从强脉冲磁场的产生，到将电磁力转化为冲击载荷的工作过程。并对机构各部分零件进行了设计。
　　其次，对强脉冲磁场及电磁力进行了有限元分析。将实测得到的电流作为激励，采用有限元分析软件 ANSYS/Multiphysics建立电流激励的电磁场模型，并使用APDL语言编制命令流，得到数值模拟结果。得到了电磁场的分布规律、强脉冲电磁力的空间分布以及强脉冲电磁力随时间的变化规律。并分析了铁磁性线圈套、线圈与驱动片间距、线圈与线圈套间距等对电磁力的影响。
　　分析了冲击机构的运动特性。采用有限元分析软件 ANSYS，通过顺序耦合法对冲击机构的运动特性进行分析。得到放电电压10kV及7kV时冲击载荷的冲击速度及冲击能量等。并分析放电电压、电容、线圈与驱动片间距等参数变化对机构运动特性的影响
　　最后，利用高速摄影技术获得放电电压10kV及7kV下冲头运动图像，通过分析图像信息，获得该冲击载荷的冲击速度及冲击能量，并与有限元分析结果进行对比，验证所设计的机构及分析方法的正确性。

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第1章 绪 论

1.1 课题的来源及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 强脉冲电磁力驱动的冲击机构设计

2.1 引言

2.2 冲击机构总体设计

2.3 冲击机构主要零件设计

2.4 本章小结

第3章 强脉冲磁场及电磁力的有限元分析

3.1 引言

3.2 电磁场有限元分析理论

3.3 电磁场有限元分析

3.4 本章小结

第4章 冲击的运动特性分析

4.1 引言

4.2 耦合场分析

4.3 运动特性分析结果

4.4 参数变化对运动特性的影响

4.5 本章小结

第5章 冲击载荷的测试

5.1 引言

5.2 试验设备及材料

5.3 测试结果

5.4 冲击机构动态力学性能分析的必要性

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

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致谢