电磁感应辅助加热成形数值模拟方法及应用研究

摘要

铝合金、镁合金、钛合金等轻质材料因其密度小、强度高等优点被广泛应用于汽车、航空、航天、舰船、武器装备等领域，轻质材料及其构件的使用已成为重大装备轻量化的有效途径。金属热成形是一种高效、优质、低耗塑性加工技术，也是国际高性能轻质材料构件先进制造技术的发展方向。然而，铝合金等轻质材料导热系数高，其热成形过程中冷却速度过快。由于对温度敏感、可成形温度窗口窄，过快的冷却速度导致上述轻质材料构件热成形过程中变形抗力大、容易出现开裂等缺陷，这严重制约了轻质材料构件热成形技术的发展和应用。电磁感应辅助加热成形技术可以实现对构件在线实时加热，进而解决轻质材料构件热成形过程中冷却速度过快技术难题。然而，电磁感应辅助加热成形是一个电、磁、热、力多场耦合以及电磁参数、热参数、成形参数等多因素交互作用下的复杂制造过程，如何实现电、磁、热、力多场耦合数值模拟计算是电磁感应辅助加热成形技术迫切需要解决的关键技术难题。为此，本文提出开展电磁感应辅助加热成形数值模拟方法及应用研究，具体研究内容如下： （1）建立了电、磁、热、力多场双向实时耦合计算数学模型，提出了电、磁、热、力多场双向实时耦合计算方法。在上述基础上，使用APDL语言对ANSYS/Multiphysics模块与ANSYS/LS-DYNA模块进行二次开发，建立了电磁感应辅助加热成形有限元模拟模型，解决了电磁感应温度场离散化加载、塑性变形温度场加载、多场耦合计算坯料单元类型确定、多场耦合计算坯料节点单元重建等关键建模问题，实现了电磁感应温度场和塑性变形热力场双向实时耦合模拟计算。 （2）建立了铝合金电磁感应辅助加热墩粗成形有限元模拟模型，实现了铝合金电磁感应温度场和墩粗成形热力场双向实时耦合模拟计算。揭示了铝合金电磁感应辅助加热墩粗成形过程中坯料温度分布演变规律，阐明了电流强度对铝合金电磁感应辅助加热墩粗成形过程中坯料温度分布的影响规律。 （3）建立了铝合金电磁感应辅助加热环件轧制成形有限元模拟模型，实现了铝合金电磁感应温度场和环件轧制成形热力场双向实时耦合模拟计算。揭示了铝合金电磁感应辅助加热环件轧制成形过程中坯料温度分布演变规律，阐明了电流强度对铝合金电磁感应辅助加热环件轧制成形过程中坯料温度分布的影响规律。 本文研究对于建立电、磁、热、力多场耦合数值模拟计算理论，发展电磁感应辅助加热成形技术方法，促进电磁感应辅助加热成形技术的发展和应用具有一定的学术价值和实际意义。

目录

声明

第1章 引言

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 电磁感应加热研究现状

1.2.2 环件轧制成形研究现状

1.2.3 辅助加热成形研究现状

1.3 课题来源和研究内容及研究方法

1.3.1 课题来源

1.3.2 研究内容

1.3.3 研究方法

第2章 电磁感应辅助加热成形多场耦合数学模型与有限元模型

2.1 电磁感应辅助加热成形多场耦合计算数学模型

2.1.1 电磁场计算数学模型

2.1.2 温度场计算数学模型

2.1.3 电、磁、热、力多场双向实时耦合计算数学模型

2.2 电磁感应辅助加热成形有限元模型

2.2.1 电磁感应辅助加热成形有限元建模流程

2.2.2 多场耦合计算坯料单元类型确定与坯料节点单元重建

2.2.3 电磁感应温度场的离散与加载

2.2.4 塑性变形温度场加载

2.3 本章小结

第3章 铝合金电磁感应辅助加热墩粗成形规律

3.1 铝合金电磁感应辅助加热墩粗成形有限元模型

3.1.1 电磁感应辅助加热墩粗成形有限元建模流程

3.1.2 电磁感应辅助加热墩粗成形有限元模型建模

3.2 无电磁感应辅助加热墩粗成形温度分布规律

3.3 电磁感应辅助加热墩粗成形温度分布规律

3.4 电流强度对墩粗成形温度分布的影响规律

3.5 本章小结

第4章 铝合金电磁感应辅助加热环轧成形规律

4.1 电磁感应辅助加热环轧成形原理与计算流程

4.2 无电磁感应辅助加热环轧成形温度分布规律

4.2.1 无电磁感应辅助加热环件轧制有限元建模

4.2.2 环件轧制坯料温度分布规律

4.3 电磁感应辅助加热环件轧制温度分布规律

4.3.1 电磁感应辅助加热环件轧制有限元建模

4.3.2 环件轧制坯料温度分布规律

4.4 电流强度对环件轧制温度分布的影响规律

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 研究结论

5.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间获得的科研成果

附录A 电磁感应热场离散化加载APDL程序

附录B 节点单元重建APDL程序