肖师杰;莫健华;崔晓辉
【摘 要】The 3D finite element model of electromagnetic sheet forming was established and the intensity distribution of magnetic field between coils and sheet was analyzed. After verifying the simulation method with experiment data, the paper analyzed magnetic force distribution on the sheet by loading current of different direction on double circle and double square coils respectively. The magnetic force and the failure modes of double circle and double square coils were also analyzed. The paper offers structure improvement suggestions and failure prevention methods. According to the characteristics of double circle and double square coils, references are provided for workpieces forming by distributed coils.%建立平板电磁成形3D有限元模型,分析线圈与板料间隙磁感应强度的分布,并与试验数据对比,验证了模拟方法的准确性.设计并列圆形与并列方形线圈结构,对于线圈加载不同方向电流,采用有限元模拟方法研究了线圈在被成形平板件上产生的磁场力分布规律.分析了并列圆形与并列方形线圈结构的受力状况和失效模式,提出了线圈结构设计改进方案与 失效预防措施.根据并列圆形与并列方形线圈结构的特点,为并列线圈成形不规则工件的工程应用提供了指导.
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2012(000)004
【总页数】7页(P54-60)
【关键词】电磁成形;线圈结构;磁场力分布;有限元模拟
【作 者】肖师杰;莫健华;崔晓辉
【作者单位】华中科技大学材料成形与模具技术国家重点试验室,湖北武汉430074;华中科技大学材料成形与模具技术国家重点试验室,湖北武汉430074;华中科技大学材料成形与模具技术国家重点试验室,湖北武汉430074
【正文语种】中 文饮料瓶提手>酸洗工艺
【中图分类】TG391
电磁成形是一种高能率成形方法，能够显著增加材料的延展性，减小回弹和起皱，适合于高电导率、难成形的轻质合金材料[1－2]。根据成形原理的不同，电磁成形主要分为管件电磁成形和平板电磁成形[3]。与管件电磁成形相比，国内外对平板电磁成形的研究较少，本文将针对平板电磁成形的电磁线圈进行研究。
如图1所示，平板电磁成形系统的构成主要包括放电电路、线圈、板料和成形模。
图1 平板电磁成形示意图
假山的堆叠
abs082平板电磁成形的工作原理是：闭合开关后，高压电容向线圈瞬时放电，线圈中产生强大的瞬态电流，从而产生相应的瞬态磁场，根据电磁感应定律，板料中将得到感应电流和感应磁场，从而使线圈与板料之间产生排斥力，最终使板料成形。因此，线圈在电磁成形中是极为关键的部件之一。
根据成形工艺的需要，平板电磁成形的线圈可以设计成不同的结构，比如圆形、方形、长方形、并列圆形、并列方形和匀压力线圈等，不同结构的线圈将产生不同的磁场力分布。在被成形板料受力的同时，线圈上也会受到相应的反作用力。不同结构的线圈会产生不同
的受力状况，从而使线圈受到不同程度的破坏力，导致线圈失效，极大地限制了电磁成形在工业上的应用[4－10]。李春峰[11]的研究发现，线圈的损坏大多是由于电流的电动力效应引起，损坏的形式主要为线圈导线发生变形，图2所示是电磁成形过程中，方形线圈内层向外层发生膨胀变形而导致失效。
目前，平板电磁成形的研究依旧不太成熟，Oliveira和 Al-Hassani[12]通过试验对圆形线圈、方形线圈以及并列方形线圈在板料上磁场力的分布进行了研究，总结了一定规律，但他们都未考虑电流方向对并列线圈磁场力分布的影响，且对线圈的受力分析研究很少。黄尚余[13]通过建立圆形线圈磁场、工件表面感应涡流及磁场的计算公式，给出了成形载荷的计算方法。但是对于复杂的线圈结构模似，采用数值解析法较难获得板料和线圈的磁场力分布，而有限元模拟能够准确地描述磁场力分布状况。国内对电磁成形过程模拟，大多采用2D有限元模型，然而对于并列圆形、并列方形等相对复杂且非轴对称的线圈结构模拟，必须采用3D有限元模型。
图2 线圈结构失效
本文首先建立3D电磁场有限元分析模型，并根据试验数据验证模拟方法，分析并列圆形和
区域能源管理
并列方形线圈结构所产生的磁场力分布规律，分析向并列线圈施加不同方向电流后在平板上磁场力分布的规律，分析并列线圈的受力状况及失效模式，提出改进方案，为后续的并列线圈成形不规则工件提供理论基础。
1 3D有限元模型
采用ANSYS的Multiphysics模块建立3D有限元模型，对平板电磁成形进行有限元分析。
为了验证模拟结果的准确性，建立模型的几何参数与电路参数均参考Takastu[14]数据。模型尺寸如图3所示，线圈截面半径为1mm，板材与线圈间隙为2.9mm，电压为2kV，电路等效电感为2μH，线圈电感为0.86mH，电路电容为40μF，电阻为25.5MΩ，总能量为80J。
图3 模型尺寸图
3D电磁场有限元模型如图4所示。电磁场分析模型包括空气、远场空气、线圈和板料4个部分。首先创建材料模型，将空气、远场空气、线圈以及板料的相对磁导率都设为1，设置线圈和板料的电阻率分别为1.72×10－8和2.78×10－8；再进行单元网格划分，对线圈和板料采用Solid97、8节点六面体单元进行映射划分，得到单元数分别为2800和5832。空气层则
采用Solid97、6节点四面体单元进行自由网格划分，得到单元数为77265。远场空气采用Infin111、8节点单元进行映射划分，得到单元数为320。对远场空气的外表面施加远场标志，作为磁场分析的边界条件。
在磁场分析中做如下设定[15]：1）线圈电流在其界面上均匀分布；2）材料的磁导率、电导率恒定且各向同性；3）位移电流忽略不计。
对线圈施加电流，进行有限元模拟计算。
图4 3D电磁场有限元模型
2 模拟方法与试验数据对比验证
线圈与板材间隙磁感应强度模拟结果与Takastu的试验结果对比如图5所示，三角形表示径向磁感应强度Br的试验值，正方形表示Z向磁感应强度Bz的试验值，实线为模拟值。由图5a可知，有工件时，Br值在线圈中心部位较小，在中心与外缘间的半径中部较大，Bz值在线圈中心部位较大，沿着半径的增加趋向减弱。由图5b可知，无工件时，Br值和Bz值的分布规律与有板材时的分布相似，但Bz变大，Br值变小。本文模拟的结果完全符合试验数据
的规律，与试验值的误差也很小，可见，模拟方法是准确的。
图5 模拟结果与试验结果对比
3 并列线圈结构与电流加载
采用上述验证过的模拟方法对并列圆形和并列方形线圈建立3D有限元模型，进行有限元模拟分析。线圈的几何形状如图6所示，为了简化磁场分析，将线圈简化为等间距线圈结构。线圈间距为3 mm，高度为5mm，线圈与板料之间的间隙为1mm。并列方形线圈的圆角分别为2mm和4mm。平板的几何尺寸为160mm×100mm×1mm。
图6 线圈几何形状
线圈中的电流密度分布如图7所示，箭头代表电流方向。图7a中2圆形线圈相邻部分电流方向相同，如箭头所示，定义该线圈为同向电流并列圆形线圈。图7b中2圆形线圈相邻部分电流方向相反，如箭头所示，定义该线圈为反向电流并列圆形线圈。如图7c、图7d所示，同理可以定义同向电流并列方形线圈和反向电流并列方形线圈。如图7所示，在反向电流并列圆形和并列方形线圈，左右线圈电流方向均为顺时针，在同向电流并列圆形和并列方形
线圈，左线圈为逆时针，右线圈为顺时针。
图7 线圈的电流分布抽油机示功图
4 平板电磁成形磁场力分布
由于平板的成形主要依赖垂直于板料平面的Z轴方向磁场力，因此本文主要分析板料所受Z轴方向磁场力的分布。如图8所示，由于有效磁场力指向Z轴负方向，因此图中磁场力取负值。由图8a～图8d可见，各个线圈中心对应板料区域磁场力为0。由图8a、图8c可见，对于同向电流并列圆形和并列方形线圈，板料中心磁场力最大并且集中，各个线圈中间层对应板料区域的磁场力较大，这与Oliveira和Al-Hassani通过试验得到的磁场力分布规律一致。由图8b、图8d可见，对于反向电流并列圆形和并列方形线圈，各个线圈中间层对应板料区域磁场力最大，板料中心磁场力很小。
图8 板料上Z轴方向磁场力的分布
为了更清楚地描述板料所受Z轴方向磁场力的分布规律，取图8中板料上沿X轴用Z-X平面截取如图9所示的磁场力分布。对于同向电流并列圆形和并列方形线圈，如图9a、图9c所示，
板料X轴－36mm和36mm区域磁场力为0，此位置对应各个线圈中心；在X轴向（－16，16）的区域内，磁场力最大，此位置对应线圈邻接区域；在X轴－56mm和56mm区域的磁场力较大，此位置对应各个线圈中间层。对于反向电流并列圆形和并列方形线圈，如图9b、图9d所示，板料X轴－36mm和36mm区域磁场力为0，此位置对应各个线圈中心；在X轴－56mm和56mm的磁场力最大，此位置对应各个线圈中间层，板料中心磁场力很小；在X轴－16 mm和16mm区域的磁场力较大，此位置对应线圈邻接区域。
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