摘 要

本文借助有限元模拟仿真软件Ls-dyna对采用螺旋线圈放电的电磁成形进行模拟，对比自由胀形与有模具的电磁成形，分析两种电磁成形情况下板料的回弹，温度场及空洞体积分数的演变，通过对比两种情况来分析板料与模具的碰撞行为对成形精度及材料性能的影响。

论文主要研究电磁成形中模具与板料的碰撞行为，通过改变放电电压参数，探究撞击行为对成形精度及材料行为的影响。

研究结果表明：为了提高成形精度，减小板料与模具的撞击反弹，可减小放电电压参数，同时，板料与模具的撞击会使局部温度变高，空洞体积分数变小，板料致密度提高。

关键词：电磁成形；成形精度；温度场：GTN模型

Abstract

In this paper, the finite element simulation software Ls-dyna is used to simulate the electromagnetic forming of the spiral coil. Comparison of free bulging and mold forming， the springback, the temperature field and the void volume fraction of the two kinds of electromagnetic forming were analyzed. by comparing the two sheet metal and die collision behavior, influence of collision behavior of sheet metal and mold on forming accuracy and material properties was analyzed.

In this paper, the collision behavior of mold and sheet metal in electromagnetic forming is studied, and the effect of impact behavior on forming precision and material behavior is investigated by changing the discharge voltage parameters.

The results show that in order to improve the forming precision and reduce the impact bounce of the sheet and the mold, the discharge voltage parameter can be reduced. At the same time, the impact of the sheet and the mold will make the local temperature become higher and the void volume fraction becomes smaller Increased density.

Key Words：Electromagnetic forming; Forming precision; Temperature field;GTN model

目 录

摘 要 I

第一章 绪论 1

1.1国内外研究现状 1

1.2课题研究内容、目标与拟采用的技术方案 3

1.2.1基本内容 3

1.2.2研究目标 4

1.2.3技术措施 4

第二章 电磁成形有限元模拟 5

2.1 Takastu实验^[17] 5

2.1.1等效电路 5

2.1.2在板料中产生的磁力 6

2.1.3互感 8

2.1.4工件的自由胀形 9

2.2电磁自由胀形的有限元模拟 10

2.3本章小结 13

第三章 放电电压对成形精度的影响 14

3.1模具的设计 14

3.2改变放电电压对成形精度的影响 14

3.3本章小结 16

第四章 碰撞行为对板料温度场及孔洞体积分数的影响 18

4.1碰撞过程对温度场的影响 18

4.1.1温度场有限元模型建立 18

4.1.2温度场结果及分析 18

4.2 板料与模具碰撞过程中孔洞体积分数的演变 20

4.2.1 GTN损伤模型概论^[15] 20

4.2.2 GTN损伤模型的建立 21

4.2.3 孔洞体积分数在碰撞时的演变 22

4.3本章小结 24

第五章 主要结论与展望 25

5.1 结论 25

5.2展望 25

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

考虑到节能减排，减少污染，降低生产成本，轻量化材料近日来越来越受人关注，这就推动了成型工艺的研究，其中电磁成型工艺就是轻量化成形工艺的代表之一。电磁成形技术核心为电磁互感，放电设备产生交流电，交流电周围产生变化的磁场，导体内部在变化的磁场中会产生感应电流，带电的导体会在磁场中受到磁场力，这便是电磁互感现象。由于工件变形的速度非常快，时间短，所以能够显著提高材料性能，变形更均匀，强度更高，还能减小回弹量及残余应力^[1]。

电磁成形技术利用磁场力作用在工件上，使工件发生变形，放电时间极短，释放的能量较大，属于高能量密度成形。同时电磁成形由于释放磁场力的周期性同时也被叫做磁脉冲成形，使得工件的变形也有变形周期。电磁成形技术主要研究是电磁互感的分析、工件在磁场中受到的磁场力的分析、工件变形及变形后材料性能的分析。在电磁成形中，工件主要靠磁场力和惯性力成形，与传统成形工艺相比,电磁成形不需要凸模，只需要一个凹模使工件按目的要求成形。从理论上说,电磁成形设备可加工出形状和结构更为复杂的零部件 ,但这需要设计更复杂的成形系统,模具以及成形线圈 ^[2]，但相关的成型技术及知识体系尚未完备，本文通过对纯铝在电磁场中成形进行有限元模拟，研究板料与模具的碰撞反弹、温度场及致密度的变化，为轻量化材料的有模电磁加工提供理论依据。

1.1国内外研究现状

20世纪20年代，物理学家 Kaptilap在做电磁实验中偶然发现：用来成形的线圈在磁场中会发生胀大甚至局部破裂，这就引起了学者们的兴趣，激发了人们对电磁成形技术的探索。在20世纪50年代末，世界上第一台电磁成形机由美国通用电力公司带到世界上，激起了电磁成形机的研制热潮，之后陆续出现各个储能级别的电磁成形机。随着人们对电磁成形技术研究的不断探索和深入，电磁成形设备也在不断进步。在60年代初期,电磁成形设备第一次在工业实际生产中投入使用,这时出现了储能较大的400kJ电磁成形机,此后在各个行业的工业用途越来越广，开始在航空航天领域，汽车行业及兵器军工等行业得到了应用。80年代后，美国、前苏联等国在国内工业行业中已经形成了电磁成形技术的理论化和标准化,电磁成形设备也在各个公司投入使用，譬如美国的Maxwell超级电容器公司生产制造的MAGNEFORM设备就已经遍布美国和日本的十几家大型制造公司。目前，电磁成形技术已可应用管形、筒形件的胀形、收缩，平板金属的拉深、成形等众多制造领域^[3]。

我国最早于六十年代开始进行电磁成形技术方面的研究，中科院曾组织过电磁成形设备的研究工作,并且取得了一些理论性成果,后因历史条件限制，这项研究被迫终止，国内的电磁成形技术研究也就止步不前。到七十年代,哈尔滨工业大学组织相关学者进行了电磁成形理论的学习研究,开始研制电磁成形设备，终于在1987年研制出了生产用的7.2kJ的电磁成型机。到了九十年代中期，哈尔滨工业大学又与上海北京的机械军工机构对电磁成形设备进行研究，研制出了30kJ的电磁成形机，后来东北大学等国内知名大学也通过合作，研制出了各个能量级别的电磁成形机。武汉理工大学在近年也相继成功地研制出了低电压电磁成型机样机和高压电磁成形机，并且投入到实验应用中,并取得了良好的实验效果^[2]。