（材料加工工程专业论文）板料电磁成形集磁器工作原理的模拟及其结构的改进.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 轻量化是目前整个制造工业的趋势，特别是越来越强调绿色制造的今天，更加速 了这个趋势。航空航天等高技术产业的发展，也迫切需求电磁成形等高技术加工的产 品。但目前铝等轻量化材料成形困难等难题困扰着当前的发展，电磁成形这种高能高 速成形技术为解决这个难题提供了基础。平板件电磁成形的研究及应用将大大促进轻 量化材料板料的应用。 同时电磁成形也需要其他器件的辅助，平板集磁器就是其中重要的一种，平板集 磁器实现将磁场集中到较小的区域，实现较小区域的板料成形和工件局部矫形，扩大 了电磁成形的应用范围， 并改善板料的成形性能， 根据不同的需求设计不同的集磁器， 实现板料电磁成形的多样化。 本文通过分析平板集磁器的基本原理，构建了平板集磁器合理的基本结构。在此 基础上利用 ansys 的 2d 模拟分析集磁器的相对直径、厚度和中心圆孔半径等结构 参数对集磁器性能的影响， 进而提出通过优化结构参数来提高集磁器的性能。 利用 3d 模拟分析集磁器的集磁功能实现的原理，并研究集磁器狭缝对磁场的影响。在研究了 集磁器各项性能的基础上，模拟板料的电磁成形，检验加入集磁器的板料电磁成形效 果，验证集磁器的集磁作用。最后，在集磁器基本结构的基础上，从中心圆孔入手对 集磁器结构的改进作出了尝试，并总结规律，指出了集磁器的改进思路。 关键词：板料成形；电磁成形；集磁器；电磁力；有限元模拟 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract lightweight is the tendency of manufacturing industry. and the trend is being accelerated especially in nowadays of emphasizing green manufacturing. electromagnetic forming(emf) is needed by aerospace industry which is developing fast. but lightweight materials such as aluminum are difficult to shape, a problem waiting to be solved. emf, a super speed and high energy forming technology, provides a way to solve the problem. the research and applying of sheet metal emf will promote the using of lightweight materials. meanwhile, emf needs instruments for adding. and flat field shaper is an important one, which concentrates the magnetic field to smaller areas to make the sheet forming or orthopedic among small areas. by means of field shaper, the scope of emf is enlarged and the forming property of the sheet metal is improved. the diversity of emf is realized by designing the field shaper according to different demand. the principle of field shaper in sheet metal emf was proposed in this paper by 2d and 3d simulation of the fea software ansys. the relative diameter, thickness and the diameter of the central hole of the ?eld shaper effecting on the distribution and intensity of the magnetic force on the sheet metal was obtained by 2d simulation. then the way of enhancing the efficiency of the ?eld shaper and optimizing the sheet forming was promoted based on that. 3d simulation was taken to analyzed the principle of field shaper and the influence of the slot. based on that, sheet metal emf was executed to verify the result of sheet forming with field shaper and the role of concentrating the magnetic field. finally, the improvement of field shaper was done by changing the central hole of the ?eld shaper. basic study was conducted and the way to improve the performance of the field shaper was pointed out. key words: sheet metal forming; electromagnetic forming; field shaper; magnetic force； finite element analysis. 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确的方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密 ?，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 ?。 （请在以上方框内打“ v” ） 学位论文作者签名： 指导老师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1.1 课题的来源、目的及意义 1 . 1 . 1 课题的来源 本课题来源于国家自然科学基金资助项目，项目编号：50875093，项目名称：金 属板材电磁脉冲渐进成形方法及其基础理论研究。 1 . 1 . 2 课题的目的及意义 电磁成形利用电磁力使金属坯料变形，是一种高速高能的材料加工工艺。结构轻 量化是制造业未来的总的发展趋势1- 4。电磁成形不仅操作简单、生产效率高，更重要 的是能有效提高材料的成形极限，这为轻量化材料如铝等的应用提供的研究基础，必 然会促进高强度、低成形性材料的大幅度应用。 电磁成形技术可以提高材料的成形性，同时还能减小工件的回弹，增加工件的贴 模性，因此，克服这些轻量化材料的成形困难，促进其在制造业的轻量化结构中的应 用，必然会大力促进电磁成形技术的研究、发展与应用。目前，铝合金汽车覆盖件的 成形工艺已经应用了平板件的电磁成形技术。 目前国内汽车制造业飞速发展，在节能减排和汽车能耗的要求下，轻量化必将成 为一个重要的一个发展趋势。用轻合金如铝合金等来代替钢材，在保证必要的结构强 度的前提下，能有效的降低汽车的重量。 铝合金代替钢材用于汽车车体结构和其它零件的成形，可使汽车减重 30%，进而 减少燃油消耗和温室气体 co2及其它有害气体的排放。 铝合金采用传统的加工工艺进 行加工效果并不理想。 采用电磁成形工艺进行铝合金件的成形是其中的一个方向5- 10。 铝合金在汽车上的用量将明显增加。 航空航天与军事方面的应用促使前苏联和美国在电磁成形方面进行了大量的研 究，并取得了很多的研究成果，已有成熟的商业电磁成形机应用于实际生产，如美国 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 的波音公司就利用电磁成形技术对飞机隔板进行校形。电磁连接，电磁焊接等新的电 磁应用的发展，进一步推动了电磁成形技术的研究，应用和普及。 然而，在实际应用中，工件的局部区域往往需要更大的变形才能满足需求，因此， 需要更大的电磁场以让工件成形。集磁器能够实现集磁功能，将线圈中时变电流产生 的电磁场集中到更小的区域上，从而获得更强的磁场，让工件产生更大的变形。国内 外均对集磁器进行了较为深入的研究，集磁器已经成为电磁成形中非常重要的部件。 集磁器有如下作用： 1. 通过改变集磁器的结构参数，可以使某些空间磁场加强或者减弱，以使工件达 到不同的成形效果。 2. 应用集磁器，可以将磁场集中到较小的区域，因此可以实现对较小尺寸的部件 进行加工，或者是局部区域的矫形。 3. 由于集磁器和线圈一起固定，因此，电磁成形时，集磁器与板料临近的表面受 到排斥力，因此，相对于只用线圈成形板料的情形，线圈受到的力要小得多，因此可 以有效的保护线圈，延长线圈的使用寿命。 1.2 平板件电磁成形 1 . 2 . 1 平板件电磁成形原理 电磁成形过程中，产生的强大的电磁压力以脉冲的形式作用于工件，因此电磁成 形属于高能高速成形。 电磁成形的主要研究内容，一是电磁成形的磁场力分析，特别是分析线圈和工件 上的磁场强度和电磁力分布，为预测工件的变形提供基础。二是电磁成形的工件的变 形分析，研究工件的变形，考察工件的成形质量，与传统成形工艺相比较。三是在高 速率高能量的磁场力作用下材料的变形性能研究，研究经过电磁成形后的材料的变 化，分析这些变化对工件性能可能的影响，为工件的应用进行更深入的研究。 电磁成形的成形速度高达 50- 300m/s，其与传统金属成形工艺最大的特点在于磁 压力大，压力的持续作用时间短，工件变形速度快6。另外电磁成形的成形系统与传 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 统的成形方法也有较大区别，前者工件的成形不需要凸模，只需要一个凹模。 能够提高工件的成形性能并减少回弹，因此电磁成形被视为解决难成形材料的成 形问题的新技术新工艺。从理论上讲，对于复杂形状且为难成形材质的工件，电磁成 形技术有着天然的优势。然而，复杂的成形系统，特别设计的成形线圈和模具将大大 增加工件的成形难度。 平板件电磁成形的原理如下：储能电容通过变压电源充电，待电容充满后，关闭 高压开关，此时电容对工作线圈放电，工作线圈中产生强脉冲电流，也即时变电流， 强脉冲电流在线圈周围产生强的脉冲磁场，当线圈周围的磁场中有工件时，变化的磁 场在工件中产生强的涡流，带涡流的工件在磁场中受到强大的脉冲磁场力，使工件发 生塑性变形5。图1- 1所示为平板件电磁成形的工作原理。图1- 2所示为平板件电磁成 形的工装。 图 1- 1 平板件电磁成形工作原理5 图 1- 2 平板件电磁成形工装7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 工件和线圈受力互相排斥，因此，线圈受到很大的排斥力，因此，线圈的固定和 如何延长线圈的使用寿命都是一个非常重要的课题。 平板集磁器则可以起到保护线圈、延长线圈使用寿命的作用，由于平板集磁器和 线圈一起固定，因此，相对于只用线圈成形工件的情形，集磁器的与工件临近的表面 承受了工件的排斥力，而线圈受到的排斥力则较小，因此可以有效的保护线圈，延长 线圈的使用寿命。 1 . 2 . 2 集磁器 集磁器在电磁成形中应用广泛，是一种非常重要的部件。按照使用的线圈的不同， 可以将集磁器分为螺线管线圈集磁器和平板线圈集磁器，分别简称为螺线管线磁器和 平板集磁器。前者用于管件的加工，一般为管件的胀形和缩颈，后者用于平板件的成 形。哈尔滨工业大学的材料学院进行了许多螺线管集磁器方面的研究。 改变集磁器的内壁形状，就可以实现改变磁场的分布，根据设计需求调整局部磁 场的强弱，从而实现成形不同的工件，实现电磁成形生产的柔性化。应用集磁器可对 尺寸较小的部件加工、进行不同材质管材的连接、大电阻材料成形及管材无模成形， 并能提高成形线圈的使用寿命8- 15。 集磁器一般用铍青铜、紫铜、铝等高导电率材料制成，在侧壁上有一个开通的立 缝9。胀形用集磁器的装配示意图如图1- 3所示。线圈缠绕在尼龙芯棒上，然后放入集 磁器，与集磁器壁面较大的一面相接，管件放在线圈和集磁器的外面，将集磁器套在 里面。 线圈中的时变电流，由于电磁感应会在集磁器上感应出由内壁流向外壁的感应电 流(涡流)，涡流、线圈电流产生的磁场线性叠加，在集磁器凸台部分与管坯之间加强， 产生局部强磁场，该磁场产生的磁场力将管坯局部径向胀开9。 缩颈用集磁器与胀形用集磁器的原理是一样的，只是装配存在差异。线圈缠绕在 缩颈用集磁器的外壁，将管件放入集磁器的内壁中，通入电流，就可以实现管件的缩 颈成形。 集磁器对于保护线圈，提高较小区域的成形效果，控制工件成形形状，使电磁成 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 形实现柔性化加工有着突出的作用16- 37。研究集磁器及其性能的影响因素，就能提高 集磁器的使用效率，扩大集磁器的使用范围，使电磁成形的应用更加广泛。 1- 尼龙芯棒；2- 线圈；3- 集磁器；4- 铝管；5- 磁力线 图 1- 3 胀形用集磁器装配示意图9 目前，胀形和缩颈用集磁器的研究和应用已经很多，但是关于平板线圈集磁器的 研究还非常少，其工作原理与胀形和缩颈用集磁器的原理类似，但是其结构、影响因 素等的研究还非常少，很多文献的介绍都处在概念性的阶段。 1 . 3 国内外基本研究概况 目前国内电磁成形和集磁器的研究和应用已经很多。并且取得了很多有影响力的 成果。 哈尔滨工业大学的赵志衡等人8通过实验研究了缩颈用集磁器的相对直径、材料 及集磁器与线圈匹配关系等因素对管材缩颈变形的影响。指出集磁器材料应选用电阻 率小的非铁磁性材料，如紫铜。指出了与集磁器匹配的线圈的匝数越多，工件变形越 大，但当达到一定值，工件变形随线圈匝数的增加而下降。这是由于线圈匝数的改变 引起了磁场能量分布及磁通路径的变化。实验结果对于集磁器的设计及电磁成形技术 研究有一定的参考价值。 哈尔滨工业大学的李春峰等人9通过实验研究了工件在不同材料、不同内外径比 的胀形用集磁器作用下的胀形效果，分析了工件在不同内外径比的铁磁材料、非铁磁 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 材料集磁器成形效果不同的原因。对集磁器材料的选择及确定集磁器的最佳内外径比 进行了有益的探索。指出集磁器的相对直径比越大，及体积越小，胀形效果越好，可 适当增加集磁器的相对直径比，以获得更显著的成形效果。 中国兵器工业第五九研究所的张弛、汤劲松等人38通过弹箭组装进行的电磁成形 研究，探索了电磁成形过程的理论分析，对成形线圈与集磁器的设计、制造进行了深 入的研究。详细的阐述了集磁器的制造过程，指出集磁器比线圈容易制作，采用一个 通用线圈仅调换集磁器就可以加工不同的工件，从而缩短制造周期，降低加工成本。 分析了低充电电压时集磁器狭缝因为漏磁造成的弹壳成形不完全的鼓凸现象，电压升 高后即逐渐消失。 于海平等人39利用ansys有限元软件模拟了缩颈用螺线管集磁器的各个结构参 数如有效面积、相对直径等对其性能的影响，并给出了优化方案。研究表明，集磁器 的应用明显的使电磁压力增加并更加均匀，同时减弱了管件的端部效应。有效面积越 小，相对直径越小，板料表面的电磁力越大。模拟分析结果与实验结果相吻合。 陈玉珍， 李春峰等人1应用fea软件ansys对平板件电磁成形磁场进行数值计算， 分析了板坯上磁场分布特点及放电电压和脉冲电流频率对磁场力的影响。进行了锥形 件电磁成形实验，验证了有限元模拟方法用于平板件电磁成形磁场力模拟的有效性。 指出板坯受到的磁场力是体积力，在整个板厚方向均存在磁场力，且由靠近线圈一侧 向外逐渐衰减。 北京机电研究所的张敏5通过实验研究了平板集磁器的工作原理、提出了其合理 的结构，研究了集磁器材料及电学参数如电容、电压、频率对其性能的影响。研究了 趋肤深度和集磁器厚度的关系。为集磁器的设计提供了很大的参考意义。 武汉理工大学的黄尚宇等人40以tio2陶瓷粉末为研究对象，采用间接加工的方式 对其进行低电压电磁压制成形，在成功压制出高密度制品的基础上，分析成形线圈及 集磁器结构对粉末压实密度、制品密度和制品微观组织的影响。研究结果表明：其他 放电参数不变的条件下，当放电线圈的匝数增加时，毛坯的密度增加，烧结后制品密 度也增加，同时制品孔隙较少，晶粒尺寸分布较为均匀；集磁器锥度为45时，压制 密度及制品密度最高。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 国外关于电磁成形和集磁器的研究也很多，且起步很早。 早在1 9 6 5 年，英国卢瑟福高能实验室的m . n . w i l s o n 等人41通过实验，研究了螺 线管集磁器的效率问题，提出了减少螺线管集磁器能量损失的途径。 1984年，日本的铃木秀雄42就通过有限元模拟研究了管件的电磁成形。为电磁成 形指出了一种新的研究方法，开辟了新的道路。 德国开姆尼茨工业大学的a. farschtschi等人43利用有限元软件ansys 模拟加入 集磁器后磁场的转换问题，研究集磁器的工作原理。由于 3d 模拟的复杂性，忽略结 构动力学的影响，利用 3d 模拟方法进行电磁分析。研究了工件上电磁力分布的变化 与集磁器狭缝宽度的关系。研究结果表明，工件上与狭缝临近的地方的电磁力与集磁 器狭缝的宽度线性相关。狭缝越宽，狭缝处工件上的电磁力越大。同时，电磁力的分 布越不规则。 伊朗德黑兰大学的m.a. bahmani等人44利用maxwell有限元软件实现了缩颈 用螺线管的3d有限元模拟，通过改变集磁器的各个结构参数，分析参数改变后工件上 电磁力的分布发生的变化，总结了集磁器各个结构参数对集磁器性能的影响规律，并 将2d与3d的结果进行对比，提出3d模拟考虑了边界效应因此更准确。 但是，目前公开的资料中还没有人系统的研究过平板集磁器对磁场和电磁力的影 响，及其结构参数对电磁力的大小和分布以及集磁器的效率的影响。这也是本文即将 讨论和研究的方向。 1.4 本文主要研究内容 电磁成形具有广阔的发展前景，但是在我国的发展还很不成熟。但是随着国家节 能减排政策的实施、汽车轻量化愈来愈迫切的需求和国家鼓励航空航天产品的大规模 发展，电磁成形技术将有着广阔的发展空间。 本文的主要工作就是通过对集磁器和带集磁器的电磁成形的有限元分析，得到集 磁器合理的基本结构。在此基础上利用 ansys 的 2d 模拟分析集磁器的各个结构参 数对集磁器性能的影响，进而可以通过优化结构参数来提高集磁器的性能。利用 3d 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 模拟分析集磁器的功能实现的原理，研究集磁器狭缝对磁场的影响。在研究了集磁器 各项性能的基础上，模拟板料的电磁成形，检验加入集磁器的板料电磁成形效果，验 证集磁器的集磁作用。最后，在集磁器基本结构的基础上，从中心圆孔入手对集磁器 结构的改进作出了尝试，并总结出规律，指出了集磁器的改进思路。研究结果对平板 集磁器的设计和板料电磁成形都有一定的参考意义。 本文共分为 6 章： 第 1 章概述全文，简述了电磁成形的工作原理以及相对于传统成形工艺所具有的 优势，介绍了管件电磁成形和平板件电磁成形的现状和应用领域，集磁器的最新研究 概况和成果，最后系统总结了电磁成形的国内外发展和研究状况，并简要的概述了本 文的主要研究内容。 第 2 章首先基于平板集磁器的原理，构建了平板集磁器的基本结构，提出了影响 其性能的相对直径、厚度、中心圆孔半径等结构参数，利用 ansys 的 2d 模拟电磁 分析构建平板集磁器的有限元分析模型，分析各个结构参数对集磁器的影响，并由此 提出优化集磁器性能的有效途径。 第 3 章在第 2 章的基础上，进行平板集磁器的 3d 模拟有限元电磁分析，建立平 板集磁器的 3d 有限元分析模型，模拟板料表面电磁力的三维分布，分析集磁器的狭 缝对板料表面电磁力的影响，比较 2d 与 3d 的分析结果，得出 2d 分析在保证准确度 的情况下速度更快更高效。 第 4 章在集磁器 2d 与 3d 模拟分析的基础上，模拟集磁器的板料电磁成形，板 料被成形为圆锥形，并使板料的成形深度提升一倍，实现了将磁场集中到较小的区域 并得到强磁场，同时验证了集磁器的结构参数对集磁器性能的影响，与第 2 章的分析 结果一致。 第 5 章提出了改进集磁器的基本结构的设想，使之符合各种需求条件下的成形。 从集磁器的中心圆孔入手，将中心圆孔修改为台阶形圆孔，分析改变对集磁器性能带 来的影响，总结出改变参数对其影响的规律，提出改进集磁器结构的新的思路。 第 6 章进行全文总结，展望了集磁器的发展前景，指出了进一步的研究方向。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 2 集磁器的 2 d有限元模拟 2.1 引言 电磁成形中，板材的变形情况由磁场的强度及其分布决定，因此，研究板料的电 磁成形，要从研究板料表面的磁场的强弱和分布开始。目前兴起的计算机有限元模拟 分析为我们提供了有效的分析板料表面电磁场的方法。虽然螺线管集磁器已经研究的 比较成熟，但是平板集磁器的相关研究还很少，这说明平板集磁器与螺线管集磁器之 间还是有很多不同的地方，完全套用螺线管的集磁器的相关理论并不能在平板集磁器 上取得比较好的效果。因此平板集磁器的结构与螺线管集磁器仍有很大的不同，需要 单独的进行研究。在平板集磁器的具体结构及结构参数还不明了的情况下，我们用有 限元模拟的方法来探索平板集磁器的基本结构，通过板料表面电磁力的大小和分布来 衡量集磁器的结构设计是否合理。在此基础上分析集磁器结构参数的选择与优化，通 过模拟的结果总结参数变化对板料表面电磁场的影响规律，进而选择效率最优的平板 集磁器的结构并对其结构参数进行优化，设计出结构合理性能符合要求的平板集磁 器。 2.2 平板集磁器工作原理及参数设置 2.2.1 有限元软件 a n s y s简介 计算机技术的飞速发展与数值算法理论的不断完善，促进了有限元方法在材料加 工工艺中的大力推广与应用。ansys 软件集众多分析功能于一体，在材料加工方面 的应用日益广泛。 以模拟分析的基本过程来分，ansys 由前处理模块、求解模块和后处理模块三 部分组成。其中，前处理模块用来定义求解模块分析计算所需的各个数据；求解模块 定义分析的求解类型，设置与分析类型相符的各个分析选项，施加载荷、设置载荷步， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 在此基础上进行分析求解；后处理模块用来查看分析计算的结果，分为两个后处理器 posti 和 post26，前者为通用后处理器，后者为时间历程后处理器。根据不同的需 要选择不同的后处理器29。 2.2.2 平板集磁器工作原理 电磁集磁器的工作原理如图1 所示，当线圈通过瞬间电流时，在集磁器中会感应 出涡流，因为集磁器沿径向有一条狭缝，所以集磁器中的电流为由上表面流向下表面 的感应电流。集磁器中的瞬时电流又在板料中产生感应电流（涡流） 。涡流、线圈电 流产生的磁场线性叠加，在集磁器凸台与板料间加强，产生局部强磁场，使板料产生 变形5。 图2- 1 集磁器的板料电磁成形原理图 2.2.3 集磁器的结构 本文根据张敏的实验研究结果5，建立了带有狭缝的平板集磁器结构如图 2- 2a 所 示，其结构尺寸如图 2- 2b 所示，其中 r0 为中心孔半径；r1 为面向线圈的圆半径； r2 为面向板料的圆半径，狭缝宽度为 1mm。并建立一个无狭缝但结构同上的集磁器。 用来模拟有无狭缝对集磁器的影响。 集磁器 线圈 板料 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 （a）立体图 （b）结构尺寸 图2- 2 平板集磁器的结构 2.2.4 ansys 模拟分析的参数设置 本文采用a n s y s / e m a g 电磁分析模块进行集磁器的电磁分析。为了研究对比带集磁 器和不带集磁器对板料上电磁力分布的影响，使用两种不同线圈的结构，如表2 - 1 所 示，用线圈c 1 与集磁器、板料组成电磁成形模拟模型，用线圈c 2 直接与板料组成模拟 模型。 为便于2 d 模拟分析，板料采用为半径为7 5 m m ，厚度为1 m m 的圆形铝板。线圈、铝 板和集磁器的各项参数如表2 - 1 、2 - 2 、2 - 3 所示。 表2- 1 模拟线圈的结构参数 名称 外径( m m ) 内径( m m ) 高度( m m ) 匝数( n ) 线圈c 1 7 5 5 5 1 0 线圈c 2 5 0 5 5 7 表2- 2 板料的结构及材料参数 名称 半径( m m ) 厚度( m m ) 电阻率( m ) 相对磁导率 板料 7 5 1 2 . 7 8 e - 8 1 表2- 3 集磁器的结构及材料参数 名称 r ( m m ) r 2 ( m m ) h ( m m ) r 0 ( m m ) 材料 电阻率( m ) 相对磁导率 集磁器 7 5 5 0 6 1 0 铜 1 . 7 2 e - 8 1 r0 r2 r1 h 狭缝 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 2.3 有限元分析模型 a n s y s d 的2 d 模拟分析中，为了简化模型，提高分析效率，使用轴对称分析，将集 磁器的v o l t 自由度耦合，实现集磁器断路的效果，代替集磁器狭缝的作用，此时集磁 器可以视为圆台，因此整个模型为轴对称。由于本研究的集磁器、板料电磁成形模型 是轴对称的，采用了对称模型，为了节约时间只用1 / 2 场域进行计算分析，如图2 - 3 a 所示。为比较分析集磁器的效果，也做了不带集磁器的板料电磁力分布模拟分析，其 模型如图2 - 3 b 所示。 （a ）带集磁器的模拟模型 （b ）不带集磁器的模拟模型 图2 - 3 板料电磁成形电磁力分析的1 / 2 有限元模型 模拟分析采用如下假设31： （1 ）模型投影于x - y 平面； （2 ）电流方向只沿x - y 平面的法线方向； （3 ）磁场只具有x - y 平面内的分量； （4 ）忽略端部效应。 用表2 - 1 中的线圈c 1 、表2 中集磁器和表2 - 3 中板料的参数建立a n s y s 有限元模型， 集磁器 y 空气 6r 板料 线圈 12r 远场 y 空气 6r 板料 线圈 12r 远场 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 考虑到线圈的紧固和集磁器的固定，设定线圈、集磁器和板料之间的间隙均为1 m m ， 即线圈与集磁器的间隙等效为2 m m 。如图2 - 4 所示，线圈、集磁器、铝板和空气均采用 四边形八节点划分网格，电磁场采用p l a n e 1 3 单元，远场采用i n f i n 1 1 0 单元。 （a ）网格划分的全局图 （b ）网格划分的局部图 图2 - 4 带集磁器的1 / 2 模型的网格剖分 根据磁场分析的要求，建立如下边界条件： （1 ）笛卡尔坐标系下，y = 0 上b 与之垂直； （2 ）笛卡尔坐标系下，x = 0 上a 等于0 ； （3 ）极坐标系下，= 1 2 r 处设置无穷远标记。 用线圈c 2 和板料进行不带集磁器的电磁力分布模拟，两者间隙为2 m m ，其它参数 及模拟方法与带集磁器的分析相同。 2.4 模拟结果分析 2.4.1 集磁器影响电磁力分布的效果 由于板料所受的径向电磁力远小于轴向电磁力，故忽略了径向电磁力而只考虑板 远场空气 近场空气 磁力线平行边界 局部 网格 线圈 集磁器 板料 空气 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 料所受的轴向电磁力。 带集磁器和不带集磁器的电磁成形电磁力分布的模拟结果如图2 - 5 所示，图2 - 5 a 为带集磁器的板料电磁力分布图，图2 - 5 b 为不带集磁器的板料电磁力分布图。由图 2 - 5 a 可以看到，板料上的电磁力最大值分布在靠近中心处，力指向板料成形的方向。 在集磁器上电磁力的最大值分别分布在中心孔和外边缘处，力分别指向板料和线圈的 反方向。在线圈上，电磁力主要分布于远离中心的边缘处，力指向集磁器的反方向。 而从图2 - 5 b 可以看到，在板料上，最大电磁力分布于远离中心2 / 3 处，在线圈上电磁 力主要分布于远离中心的边缘处。 如图2 - 6 所示，将带集磁器和不带集磁器的情况下模拟得到的电磁力在板料上的 的分布进行比较，其中实线表示带集磁器时的电磁力分布，虚线则表示不带集磁器时 的电磁力分布。可以看出，在能量相同的条件下，带集磁器后，板料表面电磁力的峰 值增大，且发生在靠近板料中心处，故能更好的带动板料中心部分成形。而不带集磁 器时，电磁力的峰值远离板料中心，中心部分的电磁力很小，往往会产生板料中心成 形不足的缺陷5。由此可知，在能量相同时，带集磁器的电磁力更强，且分布位置能 更好的使板料成形。但由图2 - 5 和图2 - 6 均可看出，在板料半径5 0 m m 以外的范围之外， 带集磁器时的电磁力比不带集磁器的电磁力大。 2.4.2 集磁器的结构参数变化对电磁力的影响 （1 ）相对直径对电磁力的影响 （a ）带集磁器的板料电磁力分布 线圈 集磁器 板料 中心 圆孔 对 称 中 心 轴 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 （b ）不带集磁器的板料电磁力分布 图2 - 5 电磁力分布的2 d 模拟结果 图2 - 6 板料表面加集磁器前后电磁力的分布比较 集磁器的上、下表面直径之比称为集磁器的相对直径。本文用相对半径的比值来 表示，即r 1 / r 2 ，设r 1 不变而改变r 2 得到不同的相对直径。在保持能量和其他参数不 变，只改变相对直径的情况下，模拟结果表明，板料表面的最大电磁力随着相对直径 的变化而改变，但电磁力的分布没有变化。如图2 - 7 所示，可以看出电磁力最大值随 相对直径的增大而增大，但增大的程度越来越小。由于相对直径越大，就意味着能量 被集中在更小的区域上，使得该区域获得更大的磁场强度和电磁力，更有利于板料成 形。但是，当相对直径达到2 以后，电磁力的升幅趋缓，这是因为相对直径越大，能 量损失越严重。 板料 线圈 对 称 中 心 轴 电磁力/n 距板料中心的距离/mm 0 10203040506070 75 - 200 0 200 400 600 800 带集磁器 不带集磁器 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 图2 - 7 相对直径对电磁力的影响 （2）厚度对电磁力的影响 由于集磁器的上下表面电流大小相等，方向相反，其趋肤深度可以用公式（2 - 1 ） 5计算。 0 2503 f = (2- 1) 式中 为趋肤深度/ m m 为角速度/ r a d / s 为磁导率/ h / m 0为真空磁导率/ h / m 为电导系数/ s / m 由于集磁器的材料为铜，则为 5.71107（欧姆米）- 1，铜的相对磁导率为 1，模拟采用的电流频率为 f=1787hz，由公式（2- 1）可知此时集磁器的趋肤深度为 =1.57mm。集磁器上下表面的趋肤深度一样，当集磁器的厚度小于上下表面的电流趋 肤深度之和时，则易发生上下表面的电流反向抵消的现象5。如图 2- 8 所示为在保持 能量和其他参数不变的条件下， 改变集磁器的厚度 h， 得到电磁力最大值随 h 的变化。 可以看出板料表面的电磁力随着集磁器厚度的减小而增大，厚度为 h=3.5mm 时，电 磁力最大。但在 h 为 3mm时出现减小趋势。这是因为此时 h 小于上下面趋肤深度之 集磁器的相对直径/mm 电磁力的最大值/n 1.41.61.822.2 720 740 760 780 800 820 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 和，结果使上下面的电流互相抵消削弱。 图2 - 8 厚度对电磁力的影响 （3 ）中心圆孔半径对电磁力的影响 如图2 - 9 所示为在保持能量和其他参数不变时，改变集磁器中心圆孔半径r 0 的值 则使板料表面电磁力的分布发生变化（其中r = 5 0 m m ） 。可以看出，板料表面的电磁力 值与中心圆孔半径成正比，而电磁力的峰值位置随中心圆孔半径的增大而逐渐远离板 料中心。研究表明，当r 0 = 0 . 3 r 和r 0 = 0 . 4 r 时更有利于板料的成形，既能改善板料中心 部分成形不足的缺陷， 又能保证对板料边缘的成形要求， 也大幅提高了集磁器的效率。 图2 - 9 中心圆孔半径对电磁力的影响 集磁器的厚度/mm 电磁力的最大值/n 33.544.555.56 750 760 770 780 790 800 810 820 电磁力/n 0 10203040506070 75 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 距板料中心的距离/mm r0=0.1r r0=0.2r r0=0.3r r0=0.4r r0=0.5r 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 综上所示，可以总结出提高集磁器效率和改善板料成形效果的有效途径：合理的 厚度，适当的相对直径和较大的中心圆孔半径。 2.4.3 线圈、集磁器与板料相对距离的变化对电磁力的影响 上述的模拟分析都是建立在线圈、集磁器、板料之间的间隙均为1 m m 时的情形， 但是，这三者之间的相对距离显然会对电磁力产生影响。那么，在保持总间隙2 m m 不 变的情况下，分析三者之间间隙相对改变对板料表面电磁力的影响。 （1 ）线圈与集磁器之间距离为 0 . 5 m m ，集磁器与板料之间距离为 1 . 5 m m 以集磁器相对直径为 1 . 5 ，厚度为 6 m m ，中心圆孔半径为 0 . 2 r 为参考基准，此时 板料表面电磁力的最大值为 1 5 1 4 n 。 改变距离后，分析得到的板料表面电磁力的最大值为 1 4 8 9 n ，可见，板料表面电 磁力减小，但是减小的幅度很小，约为 2 % 。 （2 ）线圈与集磁器之间距离为 1 . 5 m m ，集磁器与板料之间距离为 0 . 5 m m 改变距离后，分析得到的板料表面电磁力的最大值为 1 6 2 8 n ，可见，板料表面电 磁力增大，与标准比较约增大 7 . 5 % 。 因此，在总距离一定的情况下，增大线圈与集磁器之间的距离，减小集磁器与板 料之间的距离，可以有效的增大板料表面的电磁力，提高板料的成形深度。同时，线 圈与集磁器之间的距离增大，有利于在线圈表面增加更多的固定材料，使线圈能承受 更大的排斥力的冲击，同时有利于线圈的散热，这都有利于提高线圈的使用寿命。 2.5 本章小结 本章利用有限元软件a n s y s 软件的e m a g 模块进行平板集磁器的2 d 模拟分析。构建 平板集磁器的基本结构的有限元模型，并实现其2 d 有限元模拟。分析影响平板集磁器 性能的各个结构参数：厚度，中心圆孔半径，相对直径。分别分析单个结构参数的改 变对平板集磁器性能的影响，并以此提出提高集磁器效率和改善板料成形效果的有效 途径：合理的厚度，适当的相对直径和较大的中心圆孔半径。同时，还分析了线圈、 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 集磁器与板料之间相对距离的变化对板料表面电磁力产生的影响，分析得到增大线圈 与集磁器之间的距离，减小集磁器与板料之间的距离，有利于增大电磁力，同时提高 线圈使用寿命。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 3 集磁器的 3 d模拟分析 3.1 引言 目前，现有的资料中集磁器的模拟分析还只有 2d 分析，且集中在螺线管集磁器， 平板集磁器的 2d 分析尚属首次，3d 分析则更没有相关的资料可供参考。3 d分析与 2 d分析相比，提供了一些新的研究手段。3 d分析中，集磁器的狭缝可以直接建模， 而 2 d 分析中则为了实现轴对称分析，将集磁器的 v o l t 自由度耦合，实现集磁器断路 的效果，代替集磁器狭缝的作用。因此，2 d 分析中，看不到狭缝对电磁场的影响，但 是研究狭缝对电磁场的影响关系到板料的成形效果。因此 3 d分析可以提供研究狭缝 的手段。同时，3 d 分析可以研究集磁器各个表面的电流分布，可以很好的研究集磁器 实现集磁作用的原理。比较 2 d 与 3 d 的分析结果，可以两种求解方法的精确度和计算 效率，从而可以为以后的研究提供最有效的模拟方法。 3.2 3 d模拟模型 在研究了集磁器的各个结构参数对其性能的影响的基础上，用3 d 的模拟方法加以 验证和比较。根据前面的研究，取集磁器的厚度为h=3.5mm，相对直径为1.5，中心圆 孔半径为r0=0.4r。为便于查看板料上电磁力的分布，需板料的网格均匀一致，板料 设为边长1 5 0 m m 的正方形，厚度为1mm。 3d的有限元分析模型如图3- 1所示，由线圈、集磁器和板料组成。集磁器为一个 带有中心孔和狭缝的圆台型结构，其大圆面面向线圈，小圆面面向板料，线圈、集磁 器和板料之间的间隙均为1mm。 3.3 集磁器上电流矢量分布 为了叙述方便，如图3 - 2 所示，设集磁器面向板料的小圆面为b 面，面向线圈的大 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 圆面为a 面， x 、y 、z 坐标的原点设在b 面的圆心，即b 面设在y x 平面。狭缝沿x 轴布置， 坐标z x 平面在狭缝两面之间，y 轴垂直于狭缝面。在y 轴正向的狭缝面设为c 面，在y 轴 负向的狭缝面设为d 面。取集磁器的厚度为h=6mm，相对直径为1.5，中心圆孔半径为 r0=0.4r，其他参数不变，建立3d有限元分析模型。 图 3 - 1 带集磁器的3 d 有限元模型 图 3 - 2 集磁器结构及坐标设置 集磁器的作用如前2.2.2节所述，当线圈中通过瞬间电流时，在集磁器中会感应出 涡流，并在集磁器表面a面形成感应电流如图3- 3所示，从z轴的正向往负向观测，可 看到电流矢量往顺时针方向流动。电流在靠近集磁器外缘和中心孔缘处较小，在内外 缘之间的中间环形带较大。由于集磁器沿径向开一条狭缝，如图3- 3所示，集磁器a面 电流通过狭缝的c面流向集磁器面向板料的b面。从图3- 4的模拟图可以看到，电流均 向中心孔方向流动，a面中间环形带的大电流集中流向了靠近中心孔缘的区域。 如图3 - 5所示为集磁器b面的电流矢量分布及流向模拟图，往z轴的负方向观察， 电流从狭缝c面流上集磁器b表面后沿逆时针方向流动。从图3 - 5可以看到在靠近中心 z d c a b 0 x 线圈 板料 集磁器 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 孔缘区域电流较强而远离中心孔的区域电流较弱。此时b面的电流密度比a面增大了， 但在集磁器的狭缝处中断了。 如图3 - 6所示为集磁器b面电流通过狭缝的d面流回集磁器的a面。此时， b面中心 孔缘区域的高密度电流又向a面的中间区域流动，至此完成了电流的循环流动。 上述模拟分析结果与文献5的实验研究结果是一致的。 图3 - 3 a 面电流矢量分布及流向模拟图 图3 - 5 b 面电流矢量分布及流向模拟图 图3 - 4 狭缝c 表面电流矢量分布及流向模拟图 图3 - 6 狭缝d 表面电流分布及流向模拟图 3.4 被加工板料上的电磁力分布 如图3 - 7所示为使用集磁器后电磁力在被成形板料上分布的3d模拟图，其中的虚 线所围区域表示集磁器b 面所在位置。可以看到最大电磁力分布在靠近集磁器中心孔 缘的区域，其原因可从图3 - 5看到，是由于集磁器b面中心孔缘区域的电流密度最大造 y x c d 电流方向 c d y x 电流方向 中心孔 a b 电流主流方向 a b 中心孔 电流主流方向 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 23 成的。由于集磁器狭缝处电流密度较小，从图3 - 7可看到板料上狭缝所在区域的电磁 力较弱，这说明狭缝的存在对板料表面的电磁力有比较明显的影响。 还可以看出，集磁器对板料的作用区域即为集磁器b 面的半径区域，在此之外的 区域，板料上的电磁力非常小，可忽略不计。 图3 - 7 板料表面电磁力的3 d 分布模拟图 3.5 集磁器无狭缝的模拟 根据文献5的实验研究结果表明，如果