電磁鉚接數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究.pdf

1、電磁鉚接是電磁成形技術(shù)的應(yīng)用之一，是將電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種新型鉚接工藝。與傳統(tǒng)鉚接相比，電磁鉚接加載速率高、釘桿變形均勻、工藝質(zhì)量穩(wěn)定，可用于難成形材料鉚釘和大直徑鉚釘?shù)你T接，是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料干涉配合鉚接的理想工藝方法之一。由于電磁鉚接過(guò)程是一個(gè)電場(chǎng)與磁場(chǎng)及鉚釘變形相互耦合的過(guò)程，使得電磁鉚接理論研究困難重重。本文通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，從工藝和設(shè)備兩方面對(duì)電磁鉚接技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。
　　根據(jù)兩圓環(huán)

2、線圈作用力公式，從電磁鉚接原理出發(fā)，將放電回路等效為雙回路模型，求解鉚接時(shí)的放電電流。將線圈和驅(qū)動(dòng)片等效為單匝圓環(huán)線圈，在兩圓環(huán)線圈互感求解的基礎(chǔ)上，求解作用于驅(qū)動(dòng)片的鉚接力，分析各工藝參數(shù)對(duì)鉚接力的影響。
　　采用松散耦合法對(duì)電磁鉚接過(guò)程進(jìn)行分析。利用ANSYS/Multiphysics模塊建立電壓激勵(lì)的電磁場(chǎng)耦合模型。以此為邊界條件，在ANSYS/LS-DYNA模塊中，利用高應(yīng)變速率下材料的本構(gòu)關(guān)系建立鉚釘變形分析模型。模擬研

3、究結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)片主要受軸向磁場(chǎng)力作用，且軸向磁場(chǎng)力沿驅(qū)動(dòng)片徑向分布不均勻，沿驅(qū)動(dòng)片厚度方向呈梯度分布。在磁壓力作用下，鉚釘變形為整體自由鐓粗過(guò)程和局部自由鐓粗過(guò)程，釘頭變形可分為三個(gè)區(qū)域：難成形區(qū)、大變形區(qū)和小變形區(qū)。放電電壓、放電電容值、系統(tǒng)電阻、放大器質(zhì)量、釘孔尺寸、釘桿長(zhǎng)度、鉚模型式等參數(shù)對(duì)鉚釘變形有較大的影響。單側(cè)加載時(shí)，夾層材料受到的等效應(yīng)力沿厚度方向分布不均，在成形釘頭一側(cè)等效應(yīng)力值要大于釘頭沉孔處。雙向加載時(shí)，在夾層材料

4、兩側(cè)等效應(yīng)力明顯高于中部，可提高成形釘頭兩側(cè)的干涉量，對(duì)連接起到密封作用。
　　基于ANSYS平臺(tái)，將有限元分析過(guò)程進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，開發(fā)了電磁鉚接仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)由電磁場(chǎng)耦合分析和鉚釘變形分析模塊構(gòu)成。以電磁場(chǎng)耦合分析模塊為例，詳細(xì)闡述了建立該模塊的各個(gè)步驟，并對(duì)相應(yīng)的操作界面進(jìn)行二次開發(fā)。
　　在工藝模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電磁鉚接試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的無(wú)損傷鉚接。研究了放電電壓、放電電容值、鉚接次數(shù)、釘桿長(zhǎng)度和鉚模型式等

5、參數(shù)對(duì)鉚釘變形的影響。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，鉚釘以絕熱剪切的方式變形，隨著變形量增加，主剪切帶越來(lái)越明顯。在剪切帶處晶粒被劇烈拉長(zhǎng)。改變鉚模型式可以改變鉚釘?shù)氖芰顟B(tài)，半圓頭鉚模能抑制材料的徑向流動(dòng)，有利于抑制釘頭裂紋的產(chǎn)生。電磁鉚接對(duì)夾層厚度不敏感，對(duì)于不同夾層厚度材料，鉚釘均能實(shí)現(xiàn)良好的干涉配合鉚接。電磁鉚接能成功實(shí)現(xiàn)TA1鉚釘?shù)你T接，復(fù)合材料未開裂和分層，滿足工藝要求。與氣動(dòng)鉚接相比，電磁鉚接釘桿變形均勻、波動(dòng)小，微觀連接情況好于氣動(dòng)