可调阻尼系数下的电磁成形工件变形及线圈焦耳热特性研究

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电磁成形是一种利用洛伦兹力使金属工件发生塑性形变的特种成形技术,具有高速率、非接触和单模具等特征,与传统准静态成形方法相比,可显著提高材料成形极限、抑制起皱和减小回弹,在航空航天和汽车等领域的轻质板管件成形制造方面具有广阔的应用前景。然而,电磁成形技术涉及强磁场、高电压、大电流、高应力等苛刻的工作条件,对实际应用中成形装备的力学和热学等性能提出了严峻的挑战。其中,成形线圈作为电磁成形过程中能量转换的关键部件,其在放电过程中因大电流而产生的焦耳热所引起的温升是影响线圈使用效率和寿命的关键因素之一,亦是实现电磁成形的大规模工业化应用需要解决的一大难题。为了在不改变工件成形量的前提下显著降低电磁成形过程中的线圈温升以提升其工作效率,需要探究电磁成形过程中工件变形及线圈焦耳热的变化特性,并在此基础上开展相应的线圈降热方法及其性能研究。围绕这些议题,本文系统开展了可调阻尼系数下的电磁成形工件变形及线圈焦耳热特性的数值模拟和实验研究,主要研究内容和成果如下:
  首先,分析了电磁成形系统涉及的电路、电磁场和结构场的物理模型及它们之间的耦合关系,并基于有限元仿真软件COMSOLMultiphysics实现了5052-O铝合金板件电磁成形的二维轴对称多场耦合数值模型的构建和求解。在此基础上,搭建了相应的电磁成形实验平台,通过对比分析放电电流和变形位移的仿真和实验结果,验证了该数值模型的有效性。
  其次,从探究放电电流、工件变形行为及线圈焦耳热特性之间的内在关联出发,提出一种基于放电电流阻尼特性调节的新型线圈焦耳热控制方法,仅在原有电磁成形电路中引入额外的电阻即可实现,具有结构简单、成本低以及分析方便等优点。仿真和实验研究表明,在确保板件成形深度不变的情况下,该方法可以显著减少线圈中的焦耳热和温升(50%以上)。
  最后,针对不同参数下阻尼系数调节法的性能进行了系统的分析。一方面,通过仿真和实验进一步论证了阻尼系数调节法在高频电流下实现线圈降热的通用性。另一方面阐明了初始线路电阻和电容等对板件变形和线圈降热性能的影响,研究指出在无外加电阻调节的情况下,初始线路电阻并非越小越好,过小的初始线路电阻将显著提升线圈的发热量;阻尼系数调节法存在一个最佳的放电频率使得工件成形和线圈发热的综合特性达到最优。
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