強脈沖電磁力驅動的沖擊載荷*

趙志衡,汝 楠,馬 涌,張 超,李春峰

(1.哈爾濱工業大學電氣學院,黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業大學材料學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

強脈沖電磁力驅動的沖擊載荷*

趙志衡1,汝 楠1,馬 涌1,張 超1,李春峰2

(1.哈爾濱工業大學電氣學院,黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業大學材料學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

沖擊載荷在材料科學與工程領域具有一定的應用。隨著研究的深入,對沖擊速度、沖擊能量提出了更高的需求,是落錘所無法達到的。強脈沖磁場可由脈沖大電流產生,通過合適的裝置可產生強脈沖電磁力,進而可轉換為沖擊載荷。通過數值模擬,給出了強脈沖磁場、電磁力及沖頭運動過程的數值模擬結果。采用高速攝像對該壓縮沖擊裝置的運動過程進行記錄,通過對影像數據處理獲得了沖擊速度及沖擊能量,驗證了模擬結果。

爆炸力學；沖擊載荷；電磁力；強脈沖磁場；高速攝像

沖擊載荷在工業生產及科學研究中具有一定的需求,目前通常采用落錘、壓桿或炸藥爆炸等產生[1-3],落錘較為常用。近年來的有關研究表明,沖擊速度對于材料晶粒細化程度[4]、金屬材料的變形性能[5]、粉末壓實的致密度[6]等都有很大的影響。受實驗條件限制,落錘很難繼續提高沖擊速度,尋求具有一定沖擊速度及沖擊能量,而且安全、可靠的沖擊載荷,顯得尤為必要。國內外已將強脈沖磁場應用于金屬成形領域,并已在相關的研究中論及其所具有的沖擊效應[7-8],但還沒有對其驅動的沖擊速度及能量作進一步的探討。本文中對沖擊過程中的放電電流進行測量,以此作為激勵條件,對強脈沖電磁力驅動的沖擊載荷進行有限元分析。獲得沖頭的沖擊速度及沖擊能量,并與高速攝影獲得的結果進行對比,結果表明具有較好的一致性。

1 強脈沖磁場及電磁力的有限元分析

強脈沖磁場產生的原理是:通過高壓儲能電容器組對電感線圈放電,放電回路中獲得近百kA的沖擊電流,使線圈上產生強脈沖磁場,其原理如圖1所示。

圖1 強脈沖磁場產生示意圖Fig.1 Generation of high-power pulsed magnetic field

圖1中,當開關閉合時,充電電壓為U的電容器組(電容量為C)對線圈放電,若回路中總電阻為R(其值較小),回路總電感為L,則放電電流i解析式如下:

(1)

電容器組電容值為1 000 μF,充電電壓為10 kV時(儲能為50 kJ),采用分流器實測[9],獲得的放電電流呈阻尼振蕩形式,且衰減很快,第1峰值為57.75 kA,周期約1.9 ms,波形持續時間約4 ms。

圖2 壓縮沖擊裝置圖Fig.2 Schematic of impact compression equipment

產生沖擊載荷的裝置如圖2所示,圖中線圈為圓盤狀,外徑176 mm,匝數 20,線圈與驅動片間距1.5 mm。線圈與電容器組相連接,當線圈中流過沖擊電流時,產生強脈沖磁場,在該磁場作用下,驅動片上由于電磁感應產生渦流(感應電流),受沖擊電磁力作用,帶動與之固定在一起的沖頭向下運動,經過一段自由行程的加速,對試件進行高速沖擊。

采用ANSYS有限元軟件分析電磁力,考慮到對稱性,對所求解場域1/2建模[10],以實測的沖擊電流作為線圈激勵條件[11],得到數值模擬結果如圖3～6所示。圖3為放電瞬間的磁場場景,磁感線為閉合曲線,密度從線圈由內而外迅速衰減。數值模擬結果表明,線圈與驅動片之間的窄縫內實現了磁通壓縮,集中了大量磁感線,屬于強磁場,且磁感應強度只含有徑向分量。

圖4為線圈及驅動片的電流密度分布,在驅動片上出現數值很大、與線圈電流方向相反的感應電流,且分布不均勻。感應電流的不均勻分布是由其磁場分布決定的。在線圈與驅動片之間,磁場只有徑向分量,由于集膚效應[12],滲入驅動片的磁場呈衰減分布。因而沿驅動片徑向,在約1/2半徑處電流最大；沿軸向,靠近線圈一側電流明顯大于另一側,由內及外呈衰減分布。

圖3 磁場場景圖Fig.3 Magnetic flux line

圖4 電流分布Fig.4 Distribution of current density

圖5 電磁力分布Fig.5 Distribution of electromagnetic force (EMF)

圖6 電磁力-時間曲線Fig.6 Curve of electromagnetic force vs. time

圖5為驅動片所受電磁力的矢量分布,數值模擬結果表明驅動片主要受軸向電磁力的作用,徑向分量很小。軸向電磁力沿驅動片半徑方向分布不均勻,在距離中心約3/4半徑處達到最大。

圖6為驅動片上軸向電磁力隨時間變化曲線,0～0.4 ms內驅動片上受到的電磁力迅速上升達到峰值3 200 N,0.4～1 ms內電磁力迅速下降為0；1～1.4 ms內電磁力逐漸上升至400 N,幅值遠小于第1波峰；而后電磁力逐漸下降為0。通過分析可知,驅動片受到連續脈沖力作用,但對沖擊起主要作用的是第1波峰。

2 沖擊的運動特性分析

強脈沖電磁力驅動的沖擊,是運動和磁場耦合的過程,因此需采用耦合分析沖頭的運動特性[13]。在ANSYS/Multiphysics中建立沖擊模型,通過順序耦合分析求解,得到設備工作電壓10 kV時沖頭的速度-時間曲線，如圖7所示,對速度-時間曲線進行積分獲得的沖頭位移-時間曲線如圖8所示。

由圖7可知,0～0.8 ms內沖頭運動速度快速上升到約37.5 m/s,0.8～1.2 ms內運動速度基本保持不變；1.2～1.9 ms內沖頭的速度逐漸增大到約42.5 m/s,增幅遠小于0～0.8 ms期間。與實測的沖擊電流對照可知,沖擊速度在沖擊電流前2/5周期內迅速增大,在之后的3/5周期內,速度繼續上升,但加速度遠小于前2/5周期。可見,沖頭的加速過程主要集中在電流前2/5周期內,沖頭速度的變化與數值模擬所獲得的電磁力變化相吻合,參見圖6。

由圖8可知,沖頭位移隨時間不斷增大。通過對比圖7～8,可以確定不同時刻沖頭的速度及位移,依此選擇沖頭的自由行程。

圖7 沖頭速度-時間曲線Fig.7 Curve of punch velocity vs. time

圖8 沖頭位移-時間曲線Fig.8 Curve of punch location vs. time

數值模擬表明:強脈沖電磁力驅動的沖擊裝置瞬時輸出功率大,適合于短時應用場合。理論分析表明,改變電容器組電容值、電壓值,電感線圈的尺寸、匝數等參數可調節沖擊電流的峰值及上升時間,進而實現對沖擊載荷的控制。

所設計的沖擊機構沖頭自由行程為16 mm,由圖8可知,對應的時間約為0.763 ms,由圖7可知此時沖頭運動速度v≈36.67 m/s,經計算沖頭的沖擊能量Ek為:

(2)

式中:m為驅動片及沖頭質量,為6.5 kg；v為沖頭速度,m/s。

3 沖擊載荷的測試

試驗設備的基本參數:電容器組電容值為1 000 μF,最高工作電壓10 kV,最大儲能50 kJ。

采用Photron生產的型號為FASTCAM SA5 1000K-M2的高速攝像機測量該沖擊載荷的速度[14]。設定10 000 s-1的拍攝速度。設備電壓10 kV(儲能50 kJ)時進行測試,不同時刻沖頭位置圖像如圖9所示。

圖9 不同時刻沖頭位置圖Fig.9 Punch location at different time

將圖片導入CAD軟件,對沖頭端部與試件間的距離s進行測量。再對相鄰兩幅圖片中的距離做差,得到在時間間隔Δt=10-4s內沖頭所下落的位移Δs。根據公式v=Δs/Δt計算沖頭下落速度,結果如表1所示。

由表1可知,沖頭下落的最高速度v≈35.81 m/s。代入驅動片及沖頭質量,可得到沖擊能量Ek=4.17 kJ,與有限元分析結果較為接近。

表1 不同時刻位移速度測量結果Table 1 Measured results of displacement and velocities at different time

4 結 論

(1)本文中所實現的強脈沖電磁力驅動的沖擊載荷沖擊速度達到35.81 m/s以上,沖擊能量達到4.17 kJ,是落錘所無法獲得的。該沖擊載荷具有沖擊速度高、能量重復性好、易于精確調節(控制電容器的儲能)、適合產生連續沖擊(2～3 次/min)等特點。(2)理論分析表明,線圈中沖擊電流所產生的強脈沖磁場,使驅動片受到很大的脈沖電磁力。改變電容器組電容值、電壓值,電感線圈的尺寸、匝數等參數可調節沖擊電流的峰值及上升時間,進而實現對沖擊載荷的控制。(3)高速攝像實現了對沖擊速度的測量,同時也展現了高速沖擊過程中各元件的運動過程,為機構改進提供了必要的參考。

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(責任編輯 曾月蓉)

Impact load driven by high-power pulsed electromagnetic force

Zhao Zhiheng1, Ru Nan1, Ma Yong1, Zhang Chao1, Li Chunfeng2

(1.ElectricalEngineeringandAutomation,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,Heilongjiang,China；2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,Heilongjiang,China)

Impact load is applicable to material science and engineering. With the research development, there is a higher requirement for the impacting velocity and energy, which are however beyond what the drop hammer can achieve. High-power pulse current can therefore be utilized to set up an intense pulsed magnetic field, and then high-power pulsed electromagnetic force (EMF) can be generated with proper equipments and converted to the impact load desired. In the present work we simulated the generation of the impact load driven by high-power electromagnetic force. The simulation results of high-power pulsed magnetic field, EMF and the punch movement process were obtained through numerical modeling. The high speed photography was used to record the movement of the compressing impact device. Through the image processing, the value of the impact velocity and impact energy is obtained that verified the simulation results.

mechanics of explosion; impact load; electromagnetic force(EMF); high-power pulsed magnetic field; high-speed photography

10.11883/1001-1455(2016)05-0710-05

2015-01-13； < class="emphasis_bold">修回日期: 2016-01-20

2016-01-20

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2011CB0128)； 哈爾濱市創新人才專項基金項目(2009RFQXG063)

趙志衡(1971— ),男,博士,教授,zhzhhe@hit.edu.cn。

O389；TG391 <國標學科代碼: 13035 class="emphasis_bold"> 國標學科代碼: 13035 文獻標志碼: A國標學科代碼:

A