2022年电磁成形技术理论分析研究进展 .pdf

1 / 13 电磁成形技术理论研究进展作者：哈尔滨工业大学李春峰 于海平摘要：电磁成形是应用广泛高速率成形技术之一，随着电磁成形工艺应用的发展，越来越需要完善的理论研究来指导和检验电磁成形系统及工艺设计、预测工件最终形状。介绍了国内外电磁成形理论研究简况及进展，总结了研究成果和特点，讨论了电磁成形中高速率变形条件下材料成形性提高的决定因素。最后电磁成形理论研究的发展趋势进行了展望。关键词：电磁成形；理论研究；数值模拟；成形性1 前言电磁成形是利用磁场力使金属坯料变形的高速率成形方法。因为在成形过程中载荷以脉冲的方式作用于毛坯，因此又称为磁脉冲成形1。电磁成形理论研究主要包括磁场力分析和磁场力作用下工件的变形分析2，以及高速率条件下材料成形性的研究等。电磁成形过程涉及电动力学、电磁学、塑性动力学、热力学以及应力波理论等多学科的内容，由于多学科交叉的复杂性及多种高度非线性，使电磁成形理论研究变得非常复杂。随着汽车、航空航天等制造业结构轻量化的发展趋势，高强度低成形性材料磁压力脉冲；(b放电回路电感；(c 放电回路电阻但是，实际上工件的成形能量主要是由磁脉冲压力的第一波给予的4。因为本身能量降低以及线圈和工件之间的间隙随着工件变形增大而增加，后继的波传递给工件的能量减少，不足以使工件产生继续变形。由图1 分析可知，虽然工件开始变形以后，系统的电感和电阻都发生了变化，但是，在实际上在第一波的时间内，工件可能只发生了些微的变形，系统电感和电阻的变化主要发生在工件发生大变形之后，因此，在采用RLC 等效电路法研究电磁成形磁场、磁场力变化时，在可以忽略端部效应的情况下，系统电参数的变化可以忽精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 13 页3 / 13 略不计，不会影响理论分析和数值计算的精度。1990 年，张守彬 9采用等效电路法分析了管坯胀形的放电过程，并在此基础上研究了脉冲磁场力作用下的刚塑性管坯的变形过程。2.2 有限元计算研究近年来，随着计算能力的迅速提高，研究人员已开始用功能强大的算法和计算机来计算复杂的成形过程 10。有限元方法的引入更促进了电磁成形理论研究的迅速发展。1984 年，铃木秀雄11等人用有限元方法分析了磁脉冲压力作孟鹿芘鞯恼托喂蹋醚芯坎煌晟疲治鼋峁胧笛榻峁幌喾稀akatsu 12 和 Gourdin 13 研究了随材料变形而发生的磁场的演变过程。Gourdin 通过胀环实验研究了高应变速率条件下材料的流动应力， Takatsu 在此基础上又进一步考虑了磁损失的影响，较准确地模拟了板料电磁成形过程。 Dongkyun Min 14通过电磁缩径实验得到了皱形波数和径厚比的关系，并对管壁起皱现象进行了三维非线性弹塑性有限元的分析，使用冲击接触算法分析了芯轴的减皱过程。在分析电磁成形的过程中，人们往往采用等效方法来计算施加于工件上的磁压力8,11,12,16 18 。而应用此法的前提是认为工件或线圈足够长以至于可以忽略末端的影响，而且假定只有管坯内壁受力，磁压力在轴向上分布均匀。Sung Ho Lee2在文献 18的基础上，通过向麦克斯韦方程组中引入矢量磁位，把线圈和工件包含到计算中。然后进行了动态变形的有限元分析，精度有一定程度的提高。而文献19,20 通过解读推导，克服了上述等效法的缺点，建立了考虑管件端部效应的磁压力公式，反映了纵坐标对磁压力分布的影响。但是，该方法仍然忽略了轴向磁场力的影响，并且当线圈长度大于管件时，该公式就不再适用。张守彬21在时域上对文献16的公式进行了改进，引入了工件变形的影响因子，反映了工件变形对磁压力的影响，进而影响工件的进一步变形。Sung Ho Lee 22在文献 2的基础上研究管坯胀形时的几何参数及工件抗力对磁压力的影响，通过有限元分析得到管坯胀形时轴向磁压力更实际的分布。文献 6,23,24 通过向麦克斯韦方程组中引入速度项来体现工件变形对磁场的影响，但是没有合理地说明初始边界值问题，并且这种方法只是针对管件电磁胀形而言的。文献25,26在模拟中引入一种“ 宏单元 ” 来计算线圈和工件之间的胀形间隙的变化。同样，这种方法也只限于管件电磁胀形的情形。AliMeriChed27介绍了一种解决电磁平板成形问题的方法，分析了电路、电磁场和工件塑性变形，并推出了基于矢量磁位积分形式的二维轴对称模精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 13 页4 / 13 式，可用于计算磁场、涡流和平板上的电磁感应强度。在上述电磁成形求解过程中，电磁场和结构场多是分开求解的，很难适应复杂成形系统设计、准确预测复杂工件最终形状的需要。因此，Anter El-Azab、Mark Garnich和 Ashish Kapoor3 通过分析电磁成形过程中电磁场、温度场和结构场之间复杂的耦合关系，建立了能够描述这种耦合关系的数学框架。但是，到目前为止，还没有找到合适的数值算法来解决这一问题。在国内，赵志衡28 30 应用有限元法研究了管坯电磁胀形的磁场、磁场力分布。研究发现在整个管壁上均有胀形磁场力，并沿管坯壁厚由内向外衰减分布；管坯同时受到径向压力和轴向压力作用。管坯线圈系统受力及管坯壁厚方向上受力如图2、3 所示。磁场力分布的这一特点与其它自由胀形工艺很不同，对于加深电磁成形变形机理的认识是非常重要的。为了更清楚地认识各种工艺中磁场力的分布，文献31 35采用有限元法分别研究了管坯电磁缩径、管坯有模成形、平板胀形的磁场力分布规律。舒行军36基于 ANSYS 的电路分析模块求解了电磁成形放电电流，求解结果作为电磁场分析的边界条件，得到了与真实值相近的仿真结果。图 2 管坯 线圈系统受力图图 3 沿管坯厚度方向胀形磁场力分布2.3 通用软件的耦合场数值数值模拟自 20 世纪 90 中期以来，随着大型通用有限元软件的快速发展，国内外开始使用它们对电磁成形进行研究工作。利用软件对电磁成形进行数值模拟主要有两种方式，一是开发现有计算电磁场和结构场软件的接口，把二者联系起来对电磁成形进行分场模拟；二是利用电磁 结构耦合场计算软件37。目前，多数采用现有软件的研究工作是以第一种方式进行的。如果工件变形小，不足以使磁场产生明显变化，那么，采用相应软件对电磁场和结构场进精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 13 页5 / 13 行连续求解不会影响最终变形的求解精度。文献38,39 分别把电磁场分析软件MEGA/EMAP3D和结构场分析软件DYNA3D 联系起来，对电磁结构场进行分场模拟，即首先用MEGA/EMAP3D对电磁场进行模拟得到磁场力，然后把磁场力作为结构场的边界条件转移到DYNA3D中，模拟变形。有如下两种实现磁场力边界条件的方式：一是两种物理场求解时的网格划分相同，随时间变化的磁场力作为结构分析的边界条件；二是把磁场中求解的电流密度J 和磁感应强度B 映射到结构单元网格中去，不须网格划分相同38。因为上述模拟只涉及到了磁场对变形的影响，而没有考虑变形对磁场的作用，因此这种耦合模拟方法被称为“ 半耦合 ”40 。Yoichi Marakoshi 41 和 Yuichi Hashimoto 42分别使用有限元软件MARC 对内筋成形Inside Bead Forming）和脉冲压力下短管局部变形和起皱进行了有限元分析。二者均忽略了轴向磁场力，并假定管坯的受力状态为平面应变状态。Frenten 和 Daehn 等人 10对文献 12中存在的问题应用CALE 软件进行了数值模拟。克服了磁力线被板料全部屏蔽在工件与线圈间隙内的假定，并能够计算板料各板面上涡流所产生磁场的发展和变化，而且进一步把温度的影响加入到本构关系中。1998 年， Vincent J. Vohnout43应用无网格法软件 GEM 对铝合金板料复合成形进行了数值模拟。黄尚宇 44和王立峰 45通过解读推导得到磁压力，然后利用ADINA 非线性有限元程序对板坯电磁成形过程进行了数值模拟。陆辛46 通过动态拉伸实验获得了铝合金LY12 的动态本构方程，在此基础上用 DYNAFORM软件进行盒形LY12 板材的电磁成形模拟。ANSYS 是一种通用的多物理场有限元软件，具有模拟电磁结构耦合场的能力。文献3使用 ANSYS 提供的磁场 结构场耦合单元对平板电磁成形进行了模拟。因为没有解决单元形状严重畸变导致计算难以收敛的问题，得到的工件变形很小。文献47用 ANSYS 耦合单元 Solid62 对电磁缩径进行了耦合模拟。由于未能解决与文献3中类似的问题，所以又采用了带权值的磁压力解读式作为载荷计算变形。为了减少计算成本，提高计算效率，文献48 50 采用 ANSYS/EMAG计算磁场和磁场力、动力显式软件LS-DYNA 计算变形的方法对平板有模电磁成形进行了模拟，研究了工件与模具之间的冲击变形过程。于海平40应用该软件对管件动态缩径变形进行了耦合场数值模拟，研究了管件磁脉冲缩径变形规律，由于电磁场和结构场计算是分开进行的，因此计算过程没有考虑工件变形对磁场及磁场力的影响。2.4 高速率电磁成形材料成形性研究在电磁成形的研究过程中，除了关心磁场力和磁场力作用下的工件变形之外，人们对高速精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 13 页6 / 13 率变形对工件成形性的影响也给予了极大关注，并进行了大量研究5158 。电磁成形和电液成形产生的变形速率比准静态加工过程成形速率高1001000 倍，这么高的变形速率会提高很多金属工件的成形能力43。若改变模具形状、增加放电能量，材料的成形极限会有大幅度提高57。图 3 对比了 6061T4 铝合金在高速率成形和准静态成形时的成形极限图43。由图 4 可知，高速成形时，材料的成形性得到明显提高，并且在较宽的成形速率范围内 文献 5154 的实验结果表明，高速率成形下材料成形性提高主要是材料惯性而不是材料本构关系的改变抑制了工件的局部颈缩。高速率成形的大动量改变了传统静态成形工件的应力分布，使变形在整个工件范围内发生，分散了整个工件的集中变形，缩小了减薄量，从而使变形趋于稳定。从另一方面来讲，虽然成形速率比传统静态成形高得多，但是，高速率成形产生的应变速率还不足以改变材料的本构关系(102 103 Vs104/s43。所以，高速率成形过程中，材料的惯性是导致工件成形性提高决定因素。同时，工件尺寸和形状对高速率成形工件的成形性影响很大，成形性提高很大程度上取决于试样的尺寸和形状53。文献 58 从力学角度出发，建立了包括电、磁、热场在内的多场耦合方程组，对电磁胀形过程中的一维Al6061环颈缩现象进行了研究，并量化了电磁成形提高极限变形程度在本精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 13 页7 / 13 文的条件下，圆环颈缩应变比静态下提高了6 倍）。研究结果表明，材料的应变速率敏感性及材料在电磁成形过程中所获得的高应变速率: 250 - 254 3 Anter El-Azab, Mark Garnich, Ashish Kapoor. Modeling of the electromagnetic forming of sheet metals state-of-the-art and future needs. Journal of Materials Processing Technology, 2003(142: 744754 4 Electromagnetic forming. American society for metals, metal handbook, ninth edition, Volume 14, Forming and Forging. 1988: 644-653 5 I.V. Beley, S. M. Ferrtik, L. T. Khimenko. Electromagnetic Metal Forming Handbook, 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 13 页8 / 13 English Version of Russian book translated by M. M. Altynova. OhioStateUniversity. 1996 6 B. Bendjima et al. A Coupling Model for Analyzing Dynamical Behaviours of An Electromagnetic Forming System. IEEE Transactions on Magnetics. 1997, 33 (2: 1638-1641 7 宋 福 民 . 管 件 电 磁 成 形 研 究 . 哈 尔 滨 工 业 大 学 博 士 论 文 . 1996: 1-20 8 G. K. Lai, M. J. Hillier. The electrodynamics of electromagnetic forming. Int. J. Mech. Sci. 1968 (10: 491-500 9 张守彬 . 电磁成形胀管过程的研究及工程计算方法. 哈尔滨工业大学博士论文. 1990: 1-90 10 Regg K. Fenton et al. Modeling of Electromagnetically Formed Sheet Metal. 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