管件电磁缩径失稳判据及变形分析

摘要

电磁成形是利用磁场力对金属坯料进行塑性加工的高能、高速率加工方法，与常规成形工艺相比有诸多优点，为高强度、难成形材料开辟了新的加工途径。由于磁场力是瞬时衰减的脉冲载荷，在管件轴向上分布不均匀，并且存在不均匀起皱变形，使电磁缩径的变形规律及压缩失稳判定问题的研究非常棘手。本文通过理论分析、数值模拟和试验研究的方法，对脉冲磁场力作用下管件缩径成形的压缩失稳判据、动态变形规律、变形均匀性和放电能量预测等内容进行了系统研究。
　　首先给出了电磁—结构耦合场有限元数值模拟的理论基础，包括电磁场模型的对称性及边界条件、基于矢量磁位的磁场和洛仑兹力的有限单元列式、结构场弹塑性有限元基础及NEWMARK积分法，并选择顺序耦合法作为耦合场的求解方法。
　　通过电动力学分析，推导了脉冲磁压力第一波对工件的运动和变形做功的表达式；又应用塑性动力冲击能量准则确定了冲击载荷作用下管件产生塑性屈曲的临界冲击能量。然后，根据冲击能量守恒原则，使脉冲磁压力做功和瞬时速度初值的冲击能量相等，建立了管件产生径向塑性压缩失稳的临界判据。此判据给出了磁脉冲载荷作用下管件发生极限稳定塑性变形的充分条件，可以确定使管件产生失稳屈曲的临界放电能量。
　　基于ANSYS有限元分析软件和电磁缩径轴对称二分之一模型，建立了电磁—结构场松散耦合数值模拟流程，通过管件周围一定范围内空气网格重划表示工件变形对磁场分布的影响。采用数值模拟和试验相结合的方法，研究了脉冲磁场力作用下LF21M管件均匀缩径变形规律。研究结果表明，管件的缩径变形量随放电电压的升高而增加，沿轴向分布不均匀。在放电能量不变的条件下，就变形效果来讲，存在最优放电频率。在放电能量不变且线圈与管件等长的条件下，随线圈长度增大，管件最大径向变形量减小，均匀变形区增大。在放电能量及管件长度不变的条件下，短线圈有利于局部变形；随线圈长度变大，与线圈对应的管件部位的变形量减小，变形区增大，并且中部的变形趋于均匀。管件变形的数值模拟结果与试验结果吻合很好，前者可以起到对后者的指导和部分替代的作用。
　　通过基于有限元数值模拟的变形优化和试验相结合，进行了LF21M管件电磁缩径径向变形均匀性和放电电压预测研究。研究结果表明，管件径向变形的均匀分布是相对的；管件相对长度δ决定径向变形的轴向分布，当0.8<δ<1.0时，管件长度存在一个临界值，其对应的径向变形量趋于均匀一致；在确定的成形系统条件下，优化的管件长度对放电电压不敏感。试验值与预测值3％的相对误差表明基于有限元分析的放电电压的反演预测是可行的，能够进行其量化预置。
　　对脉冲磁场力作用下LF2M管件缩径的变形稳定性进行试验研究。以管件轴线中心横剖面上最大相对径向跳动( rΔ评价皱形状态。研究表明，随) max着径厚比的增大，临界放电电压逐渐减小；产生径向屈曲塑性变形的临界放电电压的试验值与判据确定的理论值吻合较好；管件的外壁缺陷、材料及性能不均匀性等会给稳定性缩径试验结果带来不利影响。

目录

管件电磁缩径失稳判据及变形分析

BUCKLING CRITERION AND DEFORMATION ANALYSIS OF ELECTROMAGNETIC TUBE-COMPRESSION

摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 电磁成形技术的研究概况

1.2.1 电磁成形技术特点

1.2.2 电磁成形技术主要工艺应用

1.2.3 国外电磁成形技术理论研究概况

1.2.4 国内电磁成形技术理论研究概况

1.3 管件径向动态加载屈曲理论研究

1.4 选题意义及主要研究内容

第2章 电磁缩径有限元分析理论基础

2.1 引言

2.2 电磁缩径电磁场有限元分析基础

2.2.1 Maxwell方程组

2.2.2 模型的边界条件与对称性

2.2.3 电磁缩径电磁场有限单元列式

2.2.4 洛仑兹力

2.3 电磁缩径结构场有限元分析基础

2.4 NEWMARK积分法

2.5 电磁—结构耦合场的顺序耦合解法

2.6 本章小结

第3章 管件电磁缩径压缩失稳判据

3.1 引言

3.2 管件电磁缩径电动力学分析

3.2.1 电动力学方程

3.2.2 均匀径向变形

3.3 管件电磁缩径塑性动力分析

3.3.1 假设条件

3.3.2 控制方程

3.3.3 能量准则及应用

3.3.4 有限长管件径向脉冲下塑性屈曲临界分析

3.4 压缩失稳判据建立

3.4.1 假设条件和理论基础

3.4.2 判据建立

3.5 本章小结

第4章 管件电磁缩径耦合场有限元分析

4.1 引言

4.2 管件均匀电磁缩径有限元分析

4.2.1 有限元模型建立

4.2.2 模拟结果分析

4.3 成形系统参数对变形的影响

4.3.1 放电电压的影响

4.3.2 放电频率的影响

4.3.3 线圈长度的影响

4.4 本章小结

第5章 管件缩径均匀变形及放电能量预测

5.1 引言

5.2 最优化分析基础

5.2.1 基本概念

5.2.2 最优化方法

5.3 管件均匀径向变形优化研究

5.3.1 问题的提出

5.3.2 优化模型

5.3.3 优化结果分析

5.4 放电能量的反演预测

5.5 均匀变形与放电能量的优化

5.6 本章小结

第6章 管件电磁缩径试验研究

6.1 引言

6.2 试验准备

6.3 管件电磁缩径试验研究

6.3.1 缩径变形稳定性试验

6.3.2 自由缩径试验

6.3.3 均匀缩径变形及放电能量预测试验

6.4 本章小结

结论

参考文献

附录

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