管件电磁校形数值模拟与试验研究

摘要

管件电磁校形是指利用电磁成形工艺使管件在电磁力的作用下高速撞击模壁并贴模的一种先进校形工艺。目前，电磁成形工艺中应用较多的是管件电磁胀形、缩颈以及平板成形，而对管件校形工艺及其理论研究得很少。本文采用理论分析、有限元模拟及工艺试验相结合的方法，深入系统地研究校形过程中磁场特性、磁场力分布，校形变形以及工艺参数、模具系统的影响。
　　引用电磁场理论、有限元方法分析管件电磁校形时的磁场特性，并依据分析结果讨论校形时的磁场对称性，对创建校形模型进行理论分析，得出模型创建后的磁场分布特性。利用有限元分析方法，对电磁校形的模型创建进行预处理分析，生成螺线管线圈校形模型，得到作用在管件、模具上的磁场力、电流以及整体磁力线分布。应用有限元法分析电磁校形时的磁场力分布；指出模具涡流对管件贴模有阻碍作用；给出磁场渗透的场景；分析模具材料电阻率、磁导率对成形性的影响；分析模具-管件、线圈-管件间隙对校形磁场力的影响。
　　提出一种基于ANSYS重启动分析的电磁-结构强耦合模型。模型考虑了管件变形对磁场计算的影响，能够准确的模拟电磁成形过程，并有效的避免空气网格畸变对结构变形的影响。分析电磁校形的机理，给出管件变形的全过程；分析不同放电电压下的成形过程。指出模具材料导电性越差，成形管件的变形量越大，给出本文所述情况下，管件成形后精度符合要求的最佳电压值、成形效果最好的线圈高度。
　　采用直筒状模具，重点试验研究电磁校形中管件端口处的贴模性及弹复的影响规律。研究结果表明，放电电压对管件电磁校形效果影响显著；放电电压较低时，校形效果较差；增加放电次数可以明显地改善校形效果，比较不同模具-管件间隙对校形的影响，给出适合本文条件下的管件校形的模具。分析管件材料对校形的影响，给出适于校形的管件材料并分析原因。分析管件厚度对校形的影响，指出厚度的适当增加有利于提高能量利用率。
　　将有限元分析过程参数化设计，并相应的对操作界面进行二次开发及汉化处理，建立操作模块的图形帮助文件。创建适用于轴对称管件胀形、缩颈、以及有模具电磁成形问题的有限元二次开发模块。
　　优选校形系统的参数，创建应用于筒形件校形及管件局部胀形的二次开发模型，通过对工件的校形结果分析验证二次开发模型的正确性。

目录

管件电磁校形数值模拟与试验研究

NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENT RESEARCH ON THE ELECTROMAGNETIC TUBE SIZING

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 引言

1.1.1 电磁成形原理特点及发展

1.1.2 有限元的应用

1.2 电磁成形的理论分析

1.2.1 放电电流的求解

1.2.2 磁场及磁场力的求解

1.2.3 变形的求解

1.3 电磁校形工艺研究现状

1.3.1 电磁校形的优点

1.3.2 国内外的研究现状

1.3.3 电磁校形技术在汽车中的应用

1.4 选题意义及主要研究内容

1.4.1 选题意义

1.4.2 主要研究内容

第2章 电磁校形磁场特性及磁压力分析

2.1 引言

2.2 电磁校形涉及的磁场基本理论

2.2.1 磁场的数学模型

2.2.2 磁场的基本性质

2.3 管件电磁校形有限元模型及特性

2.3.1 对称性原则

2.3.2 模型的创建

2.3.3 模型磁场特性

2.4 电磁校形磁场模拟预处理

2.4.1 分析方法的选取

2.4.2 单元类型的选取

2.4.3 材料特性定义

2.4.4 电磁成形用螺线管线圈结构及尺寸

2.4.5 网格剖分

2.4.6 管件电磁校形模型

2.5 磁场力模拟及工艺参数分析

2.5.1 电磁校形时磁场力分布

2.5.2 电磁校形时涡流分布

2.5.3 管坯厚度对磁压力的影响

2.5.4 线圈与管件间间隙对磁压力的影响

2.5.5 管件与模具间间隙对磁压力的影响

2.5.6 模具材料电阻率对管件磁压力的影响

2.5.7 模具材料磁导率对管件磁压力的影响

2.6 本章小结

第3章 管件电磁校形变形分析

3.1 引言

3.2 管件电磁校形有限元模型分析

3.2.1 电磁校形模型建立

3.2.2 电磁-结构强耦合模型

3.3 电磁-结构耦合的电磁校形模拟

3.3.1 校形贴模过程分析

3.3.2 不同放电电压下校形结果分析

3.3.3 管件与模具间隙对校形结果影响

3.3.4 模具材料对校形结果影响

3.3.5 线圈高度对校形结果影响

3.3.6 速度及位移分析

3.4 本章小结

第4章 电磁校形试验研究及参数优化

4.1 引言

4.2 试验条件

4.2.1校形用管件及线圈

4.2.2 校形设备及工装

4.3 校形试验参数分析与试验方案确定

4.3.1 试验参数分析

4.3.2 试验方案

4.4 模具与管件间间隙对校形的影响

4.4.1 模具与管件间隙为1mm

4.4.2 模具与管件间隙为2mm

4.4.3 模具与管件间隙为2.5mm

4.4.4 不同模具间隙对比分析

4.5 放电电压对管件电磁校形的影响

4.6 放电次数对改善校形效果的作用

4.7 管件材料对管件电磁校形的影响

4.8 管件长度对管件电磁校形的影响

4.9 管件厚度对管件电磁校形的影响

4.10 本章小结

第5 章 基于ANSYS 软件的二次开发

5.1 引言

5.2 ANSYS程序的二次开发

5.2.1 ANSYS编程语言（APDL）

5.2.2 用户界面设计语言（UIDL）

5.3 电磁成形过程的ANSYS二次开发

5.3.1 参数化分析过程的总体设计

5.3.2 创建新的主菜单

5.3.3 自定义工具条

5.3.4 创建对话窗

5.3.5 创建帮助系统

5.4 二次开发系统在筒形件中的应用

5.4.1 一次放电成形模拟

5.4.2 多次放电成形模拟

5.4.3 筒形件校形试验

5.5 二次开发系统在管件局部胀形中的应用

5.5.1 放电能量的对比验证

5.5.2 放电频率的对比验证

5.5.3 相对高度的对比验证

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历