摘 要

本文主要研究通过改变线圈的结构，使平面板料在电磁胀形时能够均匀连续地变形。通过有限元模拟的方法，分别使用模拟软件Hypermesh和Lsdyna进行计算机模拟。首先改变线圈的结构形式，即同心圆线圈与平面螺旋线圈对板料电磁胀形的影响，然后改变线圈的匝间距、截面形状和面积，最后根据模拟结果中的板料的位移、洛伦兹力来判断板料的成形状况。

论文研究表明平面螺旋线圈较同心圆线圈更能使板料在电磁自由胀形时变形地更均匀；在不改变平面螺旋线圈起始位置和结束位置的情况下，非等间距线圈的成形效果更好；圆形截面的等匝间距平面螺旋线圈的电磁成形效果好于矩形截面的等匝间距平面螺旋线圈；截面积较大的平面螺旋线圈电磁成形效果更好。

关键词：电磁成形；线圈结构；有限元模型

Abstract

In this paper, we mainly study the structure of the coil, so that the plane sheet in the electromagnetic bulging when the uniform and continuous deformation. Through the finite element simulation method, respectively, using the simulation software Hypermesh and Lsdyna computer simulation. First change the structure of the coil, that is, concentric circles and flat spiral coil on the impact of sheet metal electromagnetic bulging, and then change the winding pitch, cross-sectional shape and area of the coil, and finally according to the simulation results of the sheet metal displacement, Lorentz force to determine the sheet forming conditions.

The results show that the plane spiral coil is more uniform than the concentric circle coil, and the deformation effect of the non-equidistant coil is more uniform without changing the starting position and the end position of the spiral coil. The shape of the spiral coil is better than that of the rectangular cross section, and the circular coil with larger cross section has better effect.

Keyword: Electromagnetic forming; Coil structure; Finite element model

目录

第一章 绪论 1

1.1 电磁成形技术国内外研究现状 1

1.2 课题研究内容及研究目标 2

第二章 有限元模拟方法 3

2.1 利用UG建立实体模型 3

2.2 实体有限元网格划分 5

2.3 材料参数的设定 8

2.4 设置接触及步数时间 9

2.5 通电载荷设置 10

2.6 分析运算结果 11

第三章 线圈形式对电磁自由胀形的影响 16

3.1 平面同心圈线圈 16

3.2 自由胀形有限元模拟 16

第四章 平面螺旋线圈结构对电磁自由胀形的影响 21

4.1 线圈匝间距对电磁自由胀形的影响 21

4.2 线圈截面形状对板料自由胀形的影响 27

4.3 线圈截面积对板料自由胀形的影响 30

第五章 结论 35

参考文献 36

致谢 37

第一章 绪论

1.1电磁成形技术国内外研究现状

电磁成形技术是利用电磁场产生的洛伦兹力使金属坯料产生变形的高速变形方法,因为在变形过程中坯料受到的载荷是以脉冲的行式，因此也称为磁脉冲成形。相比于其他变形工艺，电磁成形技术结构简易、工作效率高，多应用于高端工业制造业。^[1]

20世纪中叶，美国通用公司首次成功研制出电磁成形装置，多年改良后，美国两位科学家成功地将洛伦兹力应用到实际金属变形中，这也标志着电磁成形技术的诞生。随后，电磁成形得到了很多大国的关注，八十年代，电磁成形在西方科技强国的实际生产中使用非常普遍。

中国对电磁成形的探索始于1960年，十多年后，哈尔滨工业大学通过研究理论与工艺，在1986年我国首台电磁成形机顺利诞生，现在我国多所高校都对电磁成形技术进行了深层次的研究，对工业生产工艺进行改良优化。

电磁成形电路由带高能电容感电路和高压开关构成。闭合开关，脉冲的电流通过线圈，由于电磁感应，坯料受到洛仑兹力，开始向远离电流方向的发生变形。电磁成形载荷来源为洛伦兹力，不采用传统的接触压力对坯料的加工，所以它具有如下的优势：

（1）坯料的变形，基本在脉冲洛伦兹力明显减弱后，在脉冲洛伦兹力的作用下，坯料的变形加速度和动能都会很大，可以大幅地提高材料的变形极限。

（2）电磁成形是纯电磁技术，可以完全排除坯料变形过程中的机械惯性，这使得快速变形得以实现，大大提高生产效率，而且电流脉冲可以精确掌控，能够更容易的地达到完全自动化程度。

（3）电磁场能够完全穿透绝缘体材料，对于含有绝缘涂层的坯料也能进行变形。

（4）电磁成形是通过磁场来向工件施加洛伦兹力使其实现变形的，这样在成形过程中无需机械接触，因此对工件不会产生摩擦，也不再需要再考虑润滑工作。

（5）电磁成形技术能达到的精加工水平很高，工件的残留应力很小。

电磁成形目前常用于平面板料、管状工件加工工作，主要有管形坯料胀形、管形坯料缩径、平面坯料变形等工艺。除此之外，电磁成形也能用在工艺复杂的复合变形、异行管加工、封盖、粉末的压实等^[2-4]。

1.2课题研究内容及研究目标

本次课题主要针对板料电磁成形中板料变形变形不均匀的问题，建立有限元模型进行模拟分析，分析线圈结构对板料电磁自由胀形的影响，采用有限元法，分析平面线圈结构对板料自由变形的影响。利用UG8.5建模，然后利用Hypermesh划分网格，并定义实体材料参数等工作，最后利用Lsdyna进行电流的输入以及最后的模拟运算。通过模拟运行的结果，判断线圈结构的改变对电磁成形产生了什么影响，得出具备何种特点的线圈能够使板料成形更加均匀。

第二章 有限元模拟的建立

2.1 利用UG建立实体模型

本次课题使用的是UG8.5版本进行实体的建立，根据课题要求，整个模型共需要三个实体，线圈、板料以及压边圈。根据国外的文章《High-Speed Forming of Metal Sheets by Electromagnetic Force》中的模型建立，确定了线圈、板料和压边圈的各项参数。