摘 要

随着国家和社会对节能减排工作越来越重视，汽车、飞机、高铁等交通工具的轻量化已成趋势。连续碳纤维增强铝基复合材料具有轻质﹑高比强度、高比模量﹑低热膨胀系数﹑良好的尺寸稳定性等优异的性能而具备广泛的工业化应用前景。连续碳纤维增强铝基复合材料的传统制备方法主要有固态法和液态法，这两种方法存在工艺复杂﹑生产成本高﹑产品价格昂贵﹑性能稳定性差等问题，极大阻碍了它的工业化应用。本课题采用强脉冲电磁成形技术制备碳纤维增强铝基复合材料，以此来解决传统制备工艺的不足。

本次毕业设计主要研究强脉冲电磁场作用下金属铝液的流动行为，分析电磁参数、线圈结构、温度及坩埚尺寸等因素的影响规律，为后续实验设计及工艺优化提供理论参考。

研究方法是使用ANSYS/EMAG进行电路和脉冲磁场分析，从而计算得到铝液的初始速度场，并将其编写成Profile文件，作为FLUENT多相流分析时的速度入口条件，最终完成在磁脉冲激励下金属铝液的流动行为分析。

主要研究结果：在平面螺旋线圈R/2处，铝液初始运动较快；而线圈中心区域铝液主要是在周围流体的带动下运动；靠近坩埚内壁区域铝液的流动会因壁面的粘附作用而受到阻碍；铝液在脱离坩埚后，分别以中心处和原靠近壁面区域的铝液为凝聚中心而各自形成液团；铝液在流动过程中会不断掺气并增大其在空间中所占的体积；初始速度的大小会影响铝液整体脱离坩埚时的形态；在700℃~1100℃范围内，温度对铝液流动的影响不大；坩埚深度相对过大时，会出现部分铝液与主体脱离的现象；不同的线圈结构参数也会对铝液流动过程中的形态产生影响。

本文的特色在于通过电磁场与两相流场的耦合分析，系统性研究了电磁参数、线圈结构、温度及坩埚尺寸等因素的影响规律，可根据分析结果，针对性地设计材料制备实验方案，缩短实验周期，提高实验成功率。

关键词：铝基复合材料；电磁脉冲成形；电磁场分析；多相流分析

Abstract

More and more attentions have been paid to the energy conservation and emissions reduction work in recent years, Lightweight technique has become a hot topic in the automotive, aircraft, high speed train and other vehicle industry. Continuous carbon fiber reinforced aluminum matrix composites has light weight, high specific strength, high specific modulus, low thermal expansion, good dimensional stability and other outstanding performance, will has wide industry application in future .The traditional preparation methods of carbon fiber reinforced aluminum matrix composites are solid and liquid method, but there are some problems in term of complex process, high manufacture cost, and poor performance stability, which greatly hinder its industrial application. In this study, Pulsed electromagnetic technology was employed in the preparation of continuous carbon fiber reinforced aluminum matrix composites, in order to eliminate the problems of the traditional preparation process.

This graduation project mainly studies the flow behavior of liquid aluminum under the strong pulsed electromagnetic fields, and analyzes the influence law of electromagnetic parameters, the coil structure, temperature, size of crucible and other factors, for subsequent experimental design and process optimization in physical tests.

Research method is to analyze the discharging circuit and pulse magnetic field by ANSYS/EMAG, to calculate the initial velocity of aluminum liquid, and program it into the Profile document as a velocity inlet condition of the FLUENT flow field analysis, finally to complete the aluminum liquid flow behavior research in the excitation of magnetic pulse.

The main results are: the initial motion of molten aluminum at R / 2 area is the most quick; molten aluminum of the central region is mainly driven by the surrounding fluid motion; the flow of molten aluminum closed to the inner walls of the crucible is impeded due to adhesion of the wall; after leaving the crucible, molten aluminum of the center and former near wall region are respectively to form a liquid mass gathering; aerated liquid aluminum will continue and increase its share of the volume of the space in the flow process; initial velocity size greatly affects the shape of molten aluminum after leaving the crucible; in the range of 700 ℃ ~ 1100 ℃, temperature had little effect on the flow behavior of aluminum liquid; when crucible depth is relatively too large, segregated flow occurs, part of the liquid aluminum away from the main body; coil structure parameters can also affect the shape of molten aluminum in the flow process.

Characteristic of this article is the coupling analysis of electromagnetic field and two-phase flow field in strong pulse electromagnetic forming. The influence law of electromagnetic parameters, the structure of the coil, temperature and size of crucible were systematically studied, which can provide process optimization and theoretical guides in production of carbon fiber reinforced aluminum matrix composites.

Key Words: Aluminum matrix composites; Electromagnetic pulse forming; Electromagnetic field analysis; Multiphase flow analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 纤维增强铝基复合材料的应用 1

1.3 连续碳纤维铝基复合材料的制备方法 2

1.4 电磁成形技术 3

1.5 主要研究内容 4

第 2 章 基于ANSYS/EMAG的脉冲磁场分析 6

2.1 脉冲磁场理论 6

2.2 电磁—电路耦合分析 7

2.2.1 电磁成形放电原理 7

2.2.2 有限元模型建立 7

2.2.3 模拟结果分析 9

2.3 脉冲磁场有限元分析 10

2.3.1 磁场有限元模型建立 10

2.3.2 脉冲磁场模拟结果分析 11

2.4 本章小结 15

第3章 基于FLUENT的铝液运动分析 16

3.1 模型建立与参数设定 16

3.2 铝液运动的模拟结果分析 20

3.3 本章小结 25

第4章 工艺参数对铝液运动的影响规律 27

4.1 电容﹑电压对铝液运动的影响 27

4.2 温度对铝液运动的影响 29

4.3 坩埚深度对铝液运动的影响 31

4.4 线圈结构对铝液运动的影响 33

4.5 本章小结 38

第5章 全文总结 39

5.1总结 39

5.2展望 39

参考文献 41

致 谢 43

第1章 绪论

1.1 研究背景

当今，科学技术发展迅猛，宇航、航空工业对材料的性能要求日益提高，高性能复合材料可有效满足这一工业需求。尤其随着空客A380、波音787的起飞以及国产C919大飞机工程的启动，人们对新材料的研发更为关注。同时汽车、飞机等交通工具的轻量化也对节能、环保的金属基复合材料有巨大的应用要求。

金属基复合材料拥有轻质、高比强度和比模量、耐高温、耐磨性强、导电导热性好、抗老化及抗疲劳等优良性能，且相对于树脂基复合材料，具有较高的层间剪切强度和横向强度，良好的体积稳定性和热稳定性等优点，在航空航天和军工领域得到了广泛应用^[1]。金属基复合材料起始于20世纪60年代，国外在研究硼纤维的基础上首先研制出了硼/铝复合材料^[1]。到20世纪70年代中期，研究重心主要集中在碳纤维增强铝。之后，随着对金属基复合材料及其增强体研究的不断深入，出现了氧化铝短纤维、长纤维和碳化硅束丝纤维、单丝粗纤维、颗粒、晶须等增强类型的金属基复合材料^[2]。

金属基复合材料按增强体的类型可分为连续型和非连续型, 非连续型又分为晶须、颗粒和短纤维增强等；按基体材料类型可分为铜基、铝基、钛基和镁基复合材料等^[3]。由于铝的矿产资源丰富，价格合理，加工容易，有较为成熟的生产技术，所以铝基复合材料的应用和研究最为广泛。碳纤维铝基复合材料具有轻质，高比强度和比模量，低热膨胀系数，良好的尺寸稳定性等优异性能，加之碳纤维的生产制备技术相对成熟，使得较之其它纤维价格较低，此外，各种纤维涂层制备工艺也日渐成熟，所以碳纤维铝基复合材料一直得到航空航天部门广泛且持续的关注。又因连续型碳纤维利于基体材料的回收再利用，在工业生产中有很大的应用前景，故本课题主要研究连续碳纤维增强铝基复合材料的制备方法。