摘 要

近年来，节能和环保的要求使得以铝合金为代表的轻质结构材料广泛用于先进制造领域。然而，与传统钢相比，铝合金的室温成形性差，并且难以通过常规冲压工艺直接形成复杂的部件。电磁成形为由铝合金代表的轻质，难以成形的复杂形状部件的室温形成提供了新的加工路径。电磁成形是一种金属成形方法，利用强脉冲磁场中的金属作用使工件塑性变形。电磁成型具有模具简单， 成形精度高，精确可控的特点，可以提高某些材料的可塑性。但是目前关于电磁成形方面的研究尚不成熟，诸多工艺参数对电磁成形的结果影响也不明晰。

本文研究了电磁脉冲成形技术，用于将铝合金管与碳纤维管连接起来。通过研究采用电磁集磁器的电磁脉冲形成方法，提高了管件接头成型所需的能量和效率，实现了铝管件与碳纤维管件之间的连接。

由有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立的具有多物理场和非线性特征的三维模型被用于该研究。松耦合方法用于分析管配件的电磁脉冲连接期间外管的运动。通过有限元模拟的方法研究了放电电压对连接的影响。在放电电压为9KV，放电能量为8.63kJ时实现铝管与碳钎维管材的连接。

关键词： 轻质结构材料，电磁脉冲成形，管件连接，有限元分析

Abstract

In recent years, the light structural materials represented by aluminum alloy have been widely used in advanced manufacturing field due to the requirement of energy saving and environmental protection.However, compared with traditional steel, aluminum alloy has poor formability at room temperature, so it is difficult to directly shape complex parts by traditional stamping process.Electromagnetic forming (em) provides a new processing method for light and difficult forming complex parts represented by aluminum alloy at room temperature.Electromagnetic forming is a kind of metal forming method which makes use of metal force in strong pulsed magnetic field to make the workpiece produce plastic deformation.Electromagnetic forming has the characteristics of simple mold, high forming precision, precise and controllable, and can improve the plasticity of some materials.However, the current research on electromagnetic forming is not mature, and the influence of many process parameters on the results of electromagnetic forming is not clear.

In this paper, the electromagnetic pulse forming technology is studied.In order to realize the connection between aluminum pipe fitting and carbon fiber pipe fitting, the electromagnetic pulse forming method using electromagnetic collector is studied to improve the energy and efficiency required for the connection forming of pipe fitting. 

In this study, the 3D model established by the finite element software ANSYS/ ls-dyna with multiple physical fields and nonlinear characteristics was adopted, and the motion of the pipe in the connection process of pipe fitting electromagnetic pulse was analyzed using the method of loose coupling.The effect of discharge voltage on connection is studied by finite element simulation and experiment.

Keywords： Light structural materials, electromagnetic pulse forming, pipe fitting connection, finite element analysis。

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国内研究现状 1

1.2.2国外研究现状 2

1.3本课题的目的及意义 3

1.4本课题的主要研究内容 3

1.4.1研究的基本内容 3

1.4.2研究目标 3

1.4.3拟采用的技术方案及措施 3

1.5本章小结 4

第2章 电磁脉冲成形连接及其分析方法 4

2.1电磁成形原理和特点 4

2.2 电磁成形技术的理论基础 6

2.2.1 电磁成形理论研究基础 6

2.2.2 电磁场有限元分析基础 6

2.2.3 结构场有限元分析基础 8

2.3 建模方法 9

2.3.1 二维建模方法 9

2.3.2三维建模方法 9

2.3.3有限元分析基础 10

2.4本章小结 13

第3章 带集磁器的电磁脉冲连接模型的建立 14

3.1二维模型建立 14

3.2三维模型建立 15

3.3 有限元分析模型的建立 18

3.3.1电磁场模型 18

3.3.2 结构场模型 21

3.4本章小结 21

第4章 电磁脉冲连接有限元分析结果 22

4.1 外管件合成位移分析 22

4.2外管件合成速度分析 22

4.2连接件应力、应变 23

4.3本章小结 23

第5章 总结与展望 23

5.1全文总结 23

5.2研究展望 25

参考文献 25

致 谢 28

第1章 绪论

1.1引言

能源危机与环境污染是世界各国在21世纪所共同面临的巨大挑战，“节能减排”一词也越来越被人们所耳熟能详，为了能有效降低燃油损耗及减少废弃物排放，人们提出了轻量化设计的概念，并已经深深地影响了现代制造领域的设计理念。减轻重量的最有效方法之一是轻质材料。使用结构材料时，请使用铝合金等轻合金材料或碳纤维，玻璃纤维等非金属材料兼顾考虑材料强韧性和成本的问题，常常需要将两种材料连接起来使用。然而，异种材料之间的连接工序复杂，可靠性不高等问题直接制约了轻量化材料的应用。电磁成形(EMF)又称电磁成形，是一种新型的高速特殊加工方法。它使用脉冲磁力迫使金属坯料以高速率加工。如成型速度快，模具成本低，显着提高轻质合金材料的成形极限，减少回弹和抑制皱纹等。可广泛应用于航空航天，汽车，船舶等领域的各种壳体零件和复合零件的精密成形和连接。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

电磁成形是20世纪60年代初在国外开发的-种新型金属板加工技术。 电磁成形工艺已广泛应用于美国，苏联， 日本和西欧等发达国家的航空，航天和汽车业。 1980年， 美国有400多台电磁成型机用于工业生产, 20个在苏联。

电磁成形是种高能高速成形方法 ，利用金属在强脉冲磁场中进行塑性变形，由于金属在脉冲磁场中受力而变形，因此也称为磁脉冲形成。 电磁成形具有纯电磁特性，在成形过程中不受运动部件机械惯性的影响，可实现快速加工，另外，电磁成形精度高，回弹小，可显着提高金属材料的成形极限。电磁成形的理论研究涉及电学，电磁学，电动力学和塑性动力学。 由于电力，电磁学，电动力学和塑性本身的不完善的复杂性，特别是，由于在成形过程中电和机械过程的相互作用，电磁成形的理论研究变得非常复杂。 因此，电磁成形领域仍存在许多理论问题需要进步研究和解决。特别是， 由于成形线圈产生的磁感应强度的复杂性，坯料的脉冲电磁力的复杂性，扁平件的电磁成形，扁平电磁成形的理论研究变得非常复杂。中国的电磁成形工艺尚未实现工业应用，因此有必要进行研究电磁成形的理论， 工艺实现和应用，进一步完善电磁成形理论。

国内磁脉冲成形技术单位主要集中在华中科技大学，哈尔滨工业大学，武汉理工大学，北京机电工程学院和北京航空航天大学。研究的主要内容是电磁场模拟，工件在不同工艺参数下的变形和高速变形理论。

 哈尔滨工业大学张寿斌等实验通过实验研究了板式电磁自由成形过程的影响因素。实验结果表明，电压，电容，毛坯直径以及毛坏与线圈之间的距离对薄板的成形高度有很大影响。模具半径和润滑条件对板材的高度几乎没有影响， 但对板材的开裂和起皱有较大影响。

  赵志衡研究了基于磁集电结构的管件接头成形^[19]。研究表明，当形成相同的管时，具有集电极结构的线圈的等效电感显着大于独立线圈的等效电感。 在相同的能量下，磁收集器可以提高线圈装置的能量利用率，并分析磁化器端部的角和线圈的匝数对管形状的影响。提供了用于选择合适的磁收集器结构的参考。 然而，不涉及磁化器结构中的间隙宽度对成形的影响。

徐志丹利用有限元模拟和实验方法^[4]，研究了异种金属管件的电磁脉冲连接，实现了焊接的冶金连接状态。 研究表明，为了实现电磁焊接，内管和外管必须具有一定的重叠角度，其中搭接角度在“3”和“5”之间， 可以使碰撞力矩具有足够的碰撞速度以产生射流以形成诸如电磁焊接的冶金连接。

熊海芝研究了在相同放电能量下电压和电容对电磁脉冲连接的影响^[8]。研究表明，在相同的放电能量下，增加放电电压可以显着提高放电速度，放电电压对连接的影响更为显着。

陆永进详细研究了管件电磁成形下管件径向变形的均匀性，并通过数值模拟和实验分析对比数据。建立了管件电磁脉冲成形的均匀性判据，分析了影响变形均匀性的工艺参数。研究表明，螺旋线圈的尺寸和材料对成形均匀性有重要影响，但电磁成形过程中管的放电电压和放电频率对均匀性影响不大。

于海平，基于冲击屈曲能量准则，在受到电磁力作用时对管道进行了理论分析临界冲击能量和电磁脉冲力的第一波等于工件变形和运动所做的功^[1]。因此，建立了管道的径向塑性压缩不稳定性的标准研究表明，形成径向屈曲塑性变形所需的临界放电电压随着纵横比的增加而增加。

何文智通过数值模拟对电磁场和结构场进行有限元分析，探讨了放电频率对管件直径减小的影响。考虑到温度对该过程中收缩形成过程的影响，得到最佳放电频率范围，工件趋肤深度为δ/t=1.378～1.489，此时系统的能量利用率最大。

黄霞通过有限元仿真与实验相结合，利用ANSYS中的优化设计模块，获得了预测电磁管收缩成形逆优化所需放电能量的模型， 预测了在不同放电电压， 放电频率和线圈尺寸下管直径减小所需的放电能量。

黄尚宇等对平板表面上感应的磁场力的理论分析表明^[11]，当形成具有平面螺旋线圈的板时，由板中心接收的磁场力最小。线圈半径的1/2处的电磁力达到最大值^[25]。然而，就电磁场和结构场的数值解析解的计算而言，仅进行了一些简化。难以满足并且需要新的计算方法来提高磁场力计算的准确性。

目前，磁脉冲成形技术在理论研究和工艺测试方面取得了很大进展，并正朝着半自动化和自动化方向发展。在不久的将来，磁脉冲成形技术必将在材料加工领域得到越来越多的应用。

1.2.2国外研究现状

由于磁脉冲成形技术的独特优势，各国学者对该技术进行了大量的研究工作。目前，磁脉冲成形技术的研究可分为两部分: 磁力作用下电磁场相关理论及工件变形研究。电磁场分析可分为电路分析和磁场分析。国外有关磁脉冲成形技术的研究机构主要集中在美国，日本，俄罗斯，以色列，加拿大等国家。研究内容主要涉及电磁场和磁场力的理论分析，磁场力的理论推导和成形过程的缺陷。

日本的一些学者上个世界90年代提出了电磁成形的思想后，电磁成形成为很多科研单位和院校的研究热点。俄亥俄州立大学的Glenn S. Daehn等在早期对电磁成形做了大量的实验研究，结果显示电磁成形可以极大的提高板料的成形性能。学者Stiemer等通过一系列对电磁板料成形的数值模拟研究揭示电磁板成形的变形规律。滑铁卢大学的D.A. Oliveira等提出了松散耦合的方法，使利用ANSYS对电磁板料成形进行模拟分析的结果更接近于实际变形。密歇根大学的Nicolas Triantafyllidis等从理论上通过动力学计算来解释了高速成形下板料成形性能显著提高的原因。

学者铃木秀雄采用数值模拟的方法对管件电磁自由膨胀时的应变分布做了详细的分析，结果发现管件除轴向应变相对较小之外，在圆周方向上的应变和沿半径方向上的应变在数值上是大致相等的。

D.A.Oliveira等人对铝合金板料电磁自由胀形过程成形性能做了研究，通过有限元模拟和实验结果对比等研究不同工艺参数对成形性能的影响。

Suzuki Ii deo使用数值模拟方法分析了电磁自由膨胀过程中管的应变分布。结果，管状构件的圆周方向上的应变和径向方向上的应变的大小基本相等，但轴向应变相对较小。

1998年，美国学者V. J. Vohnout和G. S. Daehn提出了一种新的板材塑性成形方法—与工具结合的板料电磁辅助成形（Matched Tool-Electromagnetic Hybrid Sheet Forming，MT-EM）。该工艺的工作原理是，首先，通过普通的冲压技术获得部件的一般变形轮廓(预制件)，然后通过嵌入冲头中的电磁线圈形成工件的硬变形部分(尖钉，脊等),以达到需要的形状。J.M.Imbert等人在实验过程中获得材料的成形性能，实验结果表明，模塑片材时材料的成形性能高于自由成形过[14]。

A.EIsen等研究结果表明，在管道电磁连接过程中，外管内管高速碰撞产生的剪切应力可达1GPa,内管与内管碰撞的速度可达数个此时，产生由金属产生的射流的上限，并且可以获得冶金反应以实现电磁焊接。

1.3本课题的目的及意义

通过对汽车轻量化复合构件电磁脉冲连接工艺研究，掌握一定的基础研究能力，可以对该领域的一些更深层次问题进行思考与实践，为轻量化的汽车事业做出自己的贡献。本课题的意义主要有以下三点：（1）轻量化能有效降低燃油损耗，具有很重要的经济意义。（2）轻量化减少废弃物排放，具有很重要环保意义。（3）轻量化对航天和军事领域有着无比重要的战略意义。

1.4本课题的主要研究内容

1.4.1研究的基本内容

1.查阅电磁连接异种材料的相关文献，并查阅ANSYS和LS-DANY软件在汽车构件建模与仿真中应用的文献资料，了解国内外相关研究现状。

2.采用ANSYS和LSDANY软件建立两种材料连接的三维仿真模型，并对碰撞速度、碰撞引起的位移、碰撞之前的应力应变进行求解分析。

1.4.2研究目标

通过对汽车轻量化复合构件电磁脉冲连接工艺数值模拟与实验分析，得到高性能的复合材料即铝合金管件和碳纤维管件的连接件。初步掌握ANSYS/LSDANY模拟方法及科研实验能力，为以后的工作学习打下基础。

1.4.3拟采用的技术方案及措施

本毕业设计联合科研项目，采用数值模拟与实验研究相结合的方式，运用多物理场建模与仿真软件ANSYS和LSDYNA建立电磁连接铝合金和其他金属或纤维材料的复合管材模型，其技术路线如图1-1所示。

图1-1 技术路线图

1.5本章小结

本章阐述了本课题研究的一些基本内容，即以全球的能源危机与环境污染所引发的节能减排问题为引子，提出异种材料的连接的意义，再结合目前国内外一些学者在电磁脉冲成形领域所作出的一些成果以及在探索电磁脉冲成形道路上所积累的一些经验，确立了本课题探究的方法以及目标，即使用ANSYS/LS-DYNA有限元模拟仿真与实验相结合的方法，尝试连接铝合金管件和碳纤维管件。

第2章 电磁脉冲成形连接及其分析方法

2.1电磁成形原理和特点

图2-1是电磁成形的原理示意图。电磁成形是利用瞬态脉冲强磁场使金属工件发生塑性变形：在充电阶段，电源开关闭合，气体开关断开，对储能电容器组充电；充电完成后，电源开关断开，气体开关闭合，线圈、电容器组及放电回路构成 RLC 震荡电路。瞬时的强脉冲电流使线圈周围产生脉冲强磁场，诱导工件产生方向相反的感应涡流，并形成感应磁场。两种磁场的相互作用使线圈与工件之间产生随时间变化、极大的相互排斥的电磁力，从而驱动工件在电磁力的作用下发生高速率变形。正是这种强大的磁力撞击金属工件，我们可以从塑性变形原理知道，若金属材料在达到屈服极限时候，金属内部将发生永久性的变形，从而达到金属工件成形的效果。

图2-1 电磁成形原理示意图

根据工件的形状，电磁成形主要可以分为电磁平板成形、电磁缩径以及电磁胀管三大类，如图2-2所示。而根据工装特征分类则可分为无模、有模电磁成形两类。电磁成形适用于具有良好导电性能的材料，对于钛合金、钢等导电性能较差的金属材料，可以加入驱动片来驱动其发生塑性变形，而作为良导体的铝合金及纯铜通常被用作驱动片材料。

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