在管件电磁成形过程中,成形系统电参数和结构参数实时相互作用,使脉冲磁场力作用下的管件变形规律研究非常困难。另外,由于放电能量和工件变形量之间的关系不能用简明的数学关系表示,在很大程度上也阻碍了电磁成形技术的广泛应用。本文通过数值模拟和试验研究相结合,对管件电磁缩径和电磁胀形的变形规律进行了研究,分析了成形系统主要参数对变形的影响;并采用电磁—结构耦合场数值模拟和最优化设计相结合的方法,对给定变形量下管件电磁成形系统的放电能量进行了反向预测。
基于管件电磁成形的电磁—结构耦合场的有限元数值模拟理论分析,给出了电磁场分析的数学模型、电磁场模型的对称性及边界条件等,介绍了结构场弹塑性有限元基础,选择松散耦合法作为耦合场的求解方法。
采用多物理场有限元分析软件ANSYS,建立了电磁—结构场松散耦合数值模拟流程。应用松散耦合法对管件电磁缩径和电磁胀形的变形过程进行了有限元数值模拟,并采用数值模拟和试验相结合,研究了成形系统主要参数对管件最终变形的影响。研究结果表明:管件电磁成形后,径向变形沿轴向分布不均匀,并随放电电压的增加而增大;对管件电磁缩径而言,在放电能量为常数的情况下,线圈越短,管件上与之对应的变形区长度越小,局部径向变形量越大。对管件电磁胀形而言,放电频率对电磁成形过程的影响很复杂,在放电能量不变的条件下,只考虑变形效果,存在最优频率,本文条件下约为4 kHz;在相同电压下,管件的胀形量随管件材料屈服强度的降低而增大。管件变形的数值模拟结果与试验结果吻合很好,前者可以起到对后者的指导和部分替代的作用。
基于最优化设计模块ANSYS/OPT和电磁成形有限元数值模拟,建立了管件电磁成形放电能量反向优化预测模型,对给定管件变形量条件下的电磁成形放电能量进行了预测,并与试验结果进行比较,试验值与预测值最大5.3%的相对误差表明放电能量的反向预测是可行的。
