电磁铆接数值模拟与试验研究

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1、国内图书分类号：TG391国际图书分类号：621.7.044.7工学博士学位论文电磁铆接数值模拟与试验研究博士研究生：邓将华导师：李春峰教授申请学位：工学博士学科、专业：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2008年06月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG391U.D.C.:621.7.044.7DissertationfortheDoctorDegreeinEngineeringNUMERICALANDEXPERIMENTALINVESTIGATIONONELECTROMAGNETICR

2、IVETINGCandidate：DengJianghuaSupervisor：Prof.LiChunfengAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation:SchoolofMaterialsSci.&Eng.DateofDefense：June,2008Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要电磁铆接是电磁

3、成形技术的应用之一，是将电磁能转化为机械能的一种新型铆接工艺。与传统铆接相比，电磁铆接加载速率高、钉杆变形均匀、工艺质量稳定，可用于难成形材料铆钉和大直径铆钉的铆接，是实现复合材料干涉配合铆接的理想工艺方法之一。由于电磁铆接过程是一个电场与磁场及铆钉变形相互耦合的过程，使得电磁铆接理论研究困难重重。本文通过理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，从工艺和设备两方面对电磁铆接技术进行了较为系统的研究。根据两圆环线圈作用力公式，从电磁铆接原理出发，将放电回路等效为双回路模型，求解铆接时的放电电流。将线圈和驱动片等效为单匝圆环线圈，在两

4、圆环线圈互感求解的基础上，求解作用于驱动片的铆接力，分析各工艺参数对铆接力的影响。采用松散耦合法对电磁铆接过程进行分析。利用ANSYS/Multiphysics模块建立电压激励的电磁场耦合模型。以此为边界条件，在ANSYS/LS-DYNA模块中，利用高应变速率下材料的本构关系建立铆钉变形分析模型。模拟研究结果表明，驱动片主要受轴向磁场力作用，且轴向磁场力沿驱动片径向分布不均匀，沿驱动片厚度方向呈梯度分布。在磁压力作用下，铆钉变形为整体自由镦粗过程和局部自由镦粗过程，钉头变形可分为三个区域：难成形区、大变形区和小变形区。放电电压、放电

5、电容值、系统电阻、放大器质量、钉孔尺寸、钉杆长度、铆模型式等参数对铆钉变形有较大的影响。单侧加载时，夹层材料受到的等效应力沿厚度方向分布不均，在成形钉头一侧等效应力值要大于钉头沉孔处。双向加载时，在夹层材料两侧等效应力明显高于中部，可提高成形钉头两侧的干涉量，对连接起到密封作用。基于ANSYS平台，将有限元分析过程进行参数化设计，开发了电磁铆接仿真系统。仿真系统由电磁场耦合分析和铆钉变形分析模块构成。以电磁场耦合分析模块为例，详细阐述了建立该模块的各个步骤，并对相应的操作界面进行二次开发。在工艺模拟试验的基础上，进行电磁铆接试验，实

6、现了复合材料的无损伤铆接。研究了放电电压、放电电容值、铆接次数、钉杆长度和铆模型式等参数对铆钉变形的影响。试验研究结果表明，铆钉以绝热剪切的方式变形，随着变形量增加，主剪切带越来越明显。在剪切带处晶粒被剧烈拉长。改变-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文铆模型式可以改变铆钉的受力状态，半圆头铆模能抑制材料的径向流动，有利于抑制钉头裂纹的产生。电磁铆接对夹层厚度不敏感，对于不同夹层厚度材料，铆钉均能实现良好的干涉配合铆接。电磁铆接能成功实现TA1铆钉的铆接，复合材料未开裂和分层，满足工艺要求。与气动铆接相比，电磁铆接钉杆变形均匀、波动小

7、，微观连接情况好于气动铆接。在总体方案设计的基础上，对充电回路、放电回路、控制系统和保护系统进行了设计，研制了一台电磁铆接设备，实现了对直径6mm高强度2A16铆钉和直径3mmTA1铆钉的380V低电压铆接，加工速率达到8~10次/分钟。关键词电磁成形；电磁铆接；数值模拟；绝热剪切；复合材料；低电压铆接设备-II-AbstractAbstractAsoneofelectromagneticformingtechnologyapplications,electromagneticriveting(EMR)isanewkindofriv

8、etingtechnologywhichtransformstheelectromagneticenergytothemechanicalenergy.Comparedwiththetraditionalriveting,EMRisc