Математическое моделирование электромеханических процессов при магнитно-импульсной обработке металлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат физико-математических наук Орлов, Александр Альбертович

• Орлов, Александр Альбертович
• кандидат физико-математических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Орлов, Александр Альбертович

введение.

1. физико-механические аспекты функционирования индукторов для магнитно-импульсной обработки металлов.

1.1. Математические модели электродинамических процессов.

1.2. Математические модели механических процессов.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Орлов, Александр Альбертович

6. Основные результаты и выводы по работе

В работе решена поставленная научная проблема - разработана согласованная по времени математическая модель электромеханических процессов, протекающих индукторе для магнитно-импульсной обработки металлов (МИОМ) при разряде установки, учитывающей влияние распределения плотности тока, спиральности индуктора-на его напряженно-деформированное состояние, которая стала бы основой прогнозирования стойкости индукторных систем. В работе реализованы поставленные задачи:

1. На базе основных уравнений электродинамики и механики сплошных сред сформулированы соотношения для описания электромеханических процессов в упругих и упруго-пластических средах.

2. С использованием полученных соотношений разработана математическая модель электромеханических процессов в системе «индуктор-заготовка», которая позволяет рассчитать распределение токов, усилий и температур в индукторе и заготовке, а также распределение напряжений, деформаций, перемещений, скоростей по объему индуктора, и показана ее адекватность.

3. Построенная с использованием трехмерного конечного элемента новая математическая модель индуктора для МИОМ позволяет учесть его спи-ральность и неравномерность распределения усилий, механических напряжений и деформаций по сечению, что повышает точность определения параметров процесса на 10-15%.

4. Применение метода дискретизации по времени при решении трехмерной задачи механики позволило расширить зону устойчивости вычислительной схемы и сократить время счета в 10-20 раз.

5. Тестирование модели механических процессов показало, что расхождение с экспериментальными данными по периоду механических колебаний в радиальном направлении не превышало 5-7%. Это подтверждает адекватность модели.

82

6. Расчеты показали, что в процессе разряда на рабочей поверхности индуктора со стороны заготовки может образовываться пластическая зона, что приводит к исчерпанию запаса пластичности и разрушению материала индуктора.

7. Анализ результатов расчетов показывает, что в индукторе идут волновые процессы и имеет место наложение стоячих волн разной длины и направлений распространения. Можно выделить осевые, радиальные и крутильные колебания, а также вынужденные колебания.

8. Проведенное исследование показало, что по критерию минимума токов и усилий в приповерхностном слое предпочтительнее применять индукторы с фасками на рабочей поверхности витка.

9. Структурно-модульное построение математической модели позволяет применить ее для решения целого класса новых задач. Эта возможность обеспечивается гибкостью и открытостью разработанного программного обеспечения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Орлов, Александр Альбертович, 2002 год

1. Бахвалов Н.С. Численные методы. 2-е изд. М.: Наука, 1975.-632 е., ил.

2. Белый И.В., Горкин Л.Ф., Фертик С.М. Электромеханические процессы при магнитно-ймпульсной обработке металлов // Известия ВУЗов. Электромеханика, № 4, 1971.- С. 442-447,

3. Бинс К., Лауренсен П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей: Пер. с англ. М.: Энергия, 1970.- 376 с.

4. Бондалетов В.Н., Чернов Е.И. Определение параметров схем замещения при разряде емкостного накопителя на плоскую спиральную катушку, помещенную над проводящим полупространством // Высоковольтная импульсная техника (Чебоксары). Вып. 2,1975.- С. 14-20.

5. Васидзу К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности: Пер. с англ.- М.: Мир, 1987.- 542 с.

6. Влияние способа изготовления на формообразование зигов / Максимов Н.В., Мищенко И.А., Нога Н.А. и др. // Вестник Харьковского политехнического института / Харьков: № 35,1969.- С. 66-68.

7. Воробьев Ю.С., Колодяжный А.В., Севрюков В.И. Скоростное деформирование элементов конструкций. Киев: Наукова думка, 1989. -189 с.

8. Галкин И.А., Попов Ю.А. Исследование магнитного поля и индуктивности тонкостенного одновиткового цилиндрического индуктора, расположенного соосно с цилиндрической заготовкой // Задачи динамики электрических машин. Омск: ОПИ, 1986. - С. 69-73.

9. Головащенко С.Ф. Теория и методы проектирования технологических процессов электроимпульсной штамповки / Дисс. . докт. техн. наук М: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1995.- 460 с.

10. Гончаренко И.Е. Метод конечных элементов в исследовании процессов осесимметричного деформирования конструкций при ударных воздействиях // Динамика пространственных конструкций .- Киев: 1978.-С. 17-20.

11. Гофрирование труб большого диаметра магнитно-импульсным способом / Барсук Ю.А., Квитлицкий А.И., Лагутин О.Т. и др. // Обработка металлов давлением в машиностроении / Харьков: ХПИ, Вып. 10, 1974.- С. 45-51.

12. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М., 1966.-664с.

13. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике .- М.: Мир, 1975.-541с.

14. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред. Пер. с англ. О.П. Троицкого и С.В. Соловьева. Под ред. Ю.К. Зарецкого М.: Недра, 1974.- 238 с.

15. Иванов Е.Г. Расчет режима магнитно-импульсной обработки трубчатых заготовок // Кузнечно-штамповочное производство, № 7, 1984,-С. 17-20.

16. Иванов Е.Г. К расчету индуктора на прочность // Импульсное нагружение конструкций. Чебоксары, 1974.-Вып.1.-С.11-26.

17. Иванов Е.Г. Некоторые вопросы осесимметричного деформирования импульсным магнитным полем // Импульсное нагружение конструкций. -Чебоксары, 1974.-Вып.5.-С.ЗЗ-137.

18. Иванов Е.Г., Попов Ю.А. Давление импульсного магнитного поля на трубчатую заготовку // Авиационная промышленность, № 10, 1980.- С. 3132.

19. Импульсные методы обработки металлов давлением // Сб. науч. трудов. Тула: ТулПИ, 1973.- 156с.

20. Калантаров П.Л., Цейтлин JI.A. Расчет индуктивностей: Справочная книга .- 3-е изд., перераб. и доп.- JL: Энергоатомиздат, 1986.- 488 с.

21. Карасик В.Р. Физика и техника сильных магнитных полей .- М.: Наука, 1964.-382 с.

22. Карпов В.В., Назаров Н.С., Роман О.В. Деформирование трубчатых заготовок энергией импульсного магнитного поля // Пластичность и обработка металлов давлением. Минск: Наука и техника, 1974.- С. 208-212.

23. Кессельман М.А. Сравнительные исследования штамповки деталей скоростными и статическими методами // Рефераты докладов науч.-техн. конф., посвященной 50-летию образования Советской власти / Харьков: ХПИ, 1968. С. 8.

24. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля .- М.: Мир, 1972.- 383 с.

25. Комолов Д.В. Проектирование амортизирующих устройств радиоэлектронной аппаратуры. : Дис. . канд. тех. наук: 01.02.04/ В.Д. Комолов.- Защищена хх.хх.хх; Утв. уу.уу.уу; Тула., 1987.-106с.: ил.-Библиогр.: С. 91-95.

26. Кухарь В.Д., Орлов А.А., Пасько А.Н., Проскуряков Н.Е. Конечно-элементная модель распределения тока в индукторе для магнитно-импульсной штамповки // Исслед. в обл. теории, технол. и оборуд. штамп, пр-ва. Орел: ОрелГТУ, Тула: ТулГУ, 1998.- С. 105-110.

27. Кухарь В.Д., Проскуряков Н.Е., Пасько А.Н. Моделирование процессов сборки деталей давлением импульсного магнитного поля (ИМП) // Кузнечно-штамповочное производство, № 8,1996.- С. 2-3.

28. Кухарь В.Д., Селедкин Е.М. Решение задач магнитно-импульсной штамповки методом конечных элементов // Известия ВУЗов. Машиностроение, № 12, 1987.- С. 101-106.

29. Кухарь В.Д., Селедкин Е.М., Зырин А.А. Исследование магнитно-импульсного формообразования продольно оребренных трубных заготовок методом конечных элементов // Машины и процессы обработки материалов давлением / Тула, 1988 С. 95-100.

30. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: В 10-ти т. Учеб. пособие для ун-тов 3-е изд., испр.- М.: Наука,1992.- Т.8.: Электродинамика сплошных сред,- 664 с.

31. Магнитно-импульсная обработка металлов / Изд. 3-е доп.- Воронеж: ЭНИКМАШ, 1976.- 182 с.

32. Магнитно-импульсная штамповка полых цилиндрических заготовок / А.К. Талалаев, С.П. Яковлев, В.Д. Кухарь, Н.Е. Проскуряков и др. Под ред. А.К. Талалаева, С.П. Яковлева.- Тула: «Репроникс Лтд», 1998.- 238 с.

33. Михайлов В.М. Влияние перемещения деформируемой детали на амплитуду тока в рабочей зоне индуктора // Харьков: ХПИ, № 94, 1974.- С. 37-48.

34. Михайлов В.М. Импульсные электромагнитные поля. Харьков: Вища школа, 1979. - 140 с.

35. Михайлов В.М. О распределении усилий в стенке проводящей трубы в нестационарном магнитном поле // Теоретическая электромеханика (Львов), вып. 12, 1971.-С. 124-128.

36. Михлин С.Г. Вариационные методы в математической физике. М.: Наука, 1970.- 268 с.

37. Немцов М.В. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1989.- 192 с.

38. Одновитковые индукторы для калибровки концов труб импульсным магнитным полем /В.А. Каськов, В.А. Глущенков, Д.Н. Лысенко // Кузнечно-штамповочное производство.-1968.-№8.-С.З1-35.

39. Орешенков А.И. Исследование процесса пластической деформации трубчатых заготовок давлением импульсного магнитного поля: Автореф. дисс. канд. техн. наук. Д.: 1972. - 17 с.

40. Подольцев А.Д. Численный расчет импульсных электромагнитных полей в неподвижных и движущихся проводящих средах с помощью пакета программ ИКДД // Киев: Препринт АН УССР, Ин-т электродинамики, № 606, 1989.- 32 с.

41. Попов Ю.А. Некоторые особенности расчета процессов, использующих силовое воздействие импульсного магнитного поля // Электрофизические процессы при импульсном разряде (Чебоксары). Вып.4, 1977.-С. 84-104.

42. Расчет магнитных полей электрических машин методом конечных элементов / Кислицын A.JI. и др. Саратов: Изд-во Саратов, ун-та, 1980.- 173 с.

43. Римм Э.Р., Нихамкин М.М., Леонтьева Н.В. Исследование некоторых процессов магнитно-импульсной штамповки // Обработка металлов давлением Свердловск: УГТУ, Вып. 3, 1976.- С. 126-130.

44. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов.- М.: Мир, 1979.- 392 с.

45. Секулович М. Метод конечных элементов / Пер. с серб. Ю.Н. Зуева; Под ред. В.Ш. Барбакадзе.- М.: Стройиздат, 1993.- 664 с.

46. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов / И.В. Белый, С.М. Фертик, Л.Т. Хименко.- Харьков; Вища школа, 1977. 168 с.

47. Талалаев А.К. Индукторы и установки для магнитно-импульсной обработки металлов. М.: Информтехника, 1992. - 143 с.

48. Тозони О.В. Расчеты электромагнитных полей на ЦВМ.- Киев: Техника, 1967.-252 с.

49. Толоконников Л. А. Механика деформируемого твердого тела: Учеб. пособие для втузов .- М.: Высш. школа, 1979,- 318 с.

50. Толоконников JI.A., Желтков В .И. Вариант метода конечных элементов для решения задач линейной вязкоупругости. -Прикл. механика, 1979.-№7.

51. Фейгин М.М., Кострик В.К. Некоторые особенности процесса обжима трубчатых заготовок импульсным магнитным полем // Кузнечно-штамповочное производство, № 7, 1969.-С. 22-24.

52. Фридман Б.Э. Электродинамические процессы в системе индуктор заготовка и их использование при магнитно-импульсной обработке цилиндрических деталей: Автореф. дис. канд. техн. наук. Л.: 1975. - 18 с.

53. Шнеерсон Г.А. Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов. Л.: Энергоиздат, 1981. - 200 с.

54. Шнеерсон Г.А. Применение метода сшивания для расчета магнитных полей идеальных проводников, разделенных малым зазором // Методы и средства решения краевых задач. Л.: 1981.- С. 76-87.

55. Шнеерсон Г.А. Расчеты и экспериментальное исследование разрушения одновитковых соленоидов в сверхсильном магнитном поле// Журнал технической физики.-1974. Т.44, №10.-С.2217-2228.

56. Щеглов Б.А. Динамическое формообразование тонколистовых металлов // Исследование процессов пластического формоизменения металлов / М.: МАИ, 1974.- С. 33-34.

57. Электрогидроимпульсная калибровка тонкостенных трубчатых деталей / В.А. Вагин, Г.П. Кузнецов, B.C. Мамутов // Технология авиационного приборостроения и агрегатостроения, № 4,1986.- С. 6-8.

58. Яковлев С.П., Кухарь В.Д., Маленичев Е.С. Продольная рифтовка тонкостенной цилиндрической трубы // Известия вузов. Машиностроение, 1993, т.- С. 145-148.

59. Dietz Н., Lippman Н., Schenk Н. Theorie des Magneform-Verfahrens I I Erreichbarer Druck .- ETZ Ausg. A. Bd. 89, H. 12, 1964.- S.273-278.

60. Drastik F., Vocol M., Smrcka I. Moznasti elektromagnetickovo tvareni kovu//Strojirenstvi, 1965, № 3, s. 222-225.

61. Electromagnetic Tube Compression with a Field Shaper / Toshio Sano, Masaharu Takahashi, Yoichi Murakoshi.and Ken-ichi Matsino // Journal of the GSTP. 1984. - vol. 25, № 1, p. 101.

62. Elektrotechnik Zeitschrift, Bd. 16, № 18, s. 529-585,1964.

63. Furth H.P., Levine M.A., Waniek R.W.- Production and Use of high transient magnetic Fields Review of Scientific Instruments, pt. I, v. 27, p. 195, 1956; pt. II, v. 28, p. 949,1957.

64. Furth H.P., Waniek R.W.- New Ideas on magnetic Forming. Metalworking Production, v. 106, № 18, (50), 1962.

65. Jablonski J., Winkler R. Analysis of the electromagnetic Forming Process // International Journal mechanic Sci. 1978. - vol. 20, p. 315-325.

66. Jansen H. Some Measurements of the Expansion of Metallic Cylinder with Electromagnetic Pulse // IEEE Transactions of Industry and General Applications.- 1968, № 4, p.428-480.

67. Kapitsa P.L. Method of Producing Strong Magnetic Fields // Proceeding of Royal Society Academy, 105 (1924), p.691-710.

68. Langlois A.P. What magnetic forming can do.- American Machinist, v. 105, №7,1961.

69. Lippman H., Schreiner H. Zur Physik der Metallumformung mit hohen Magnetfeld Impulsen.- Zeitschrift for Metallkunde, Bd. 55, H. 12, 1964.

70. Magnetic Forming comes to Britain.- Metalworking Production, v. 107, 1963.- P. 69-70.90

71. Post R.H. Guest Appearance on Science in Action.- KQED, San Francisco (April), 1958.

72. Silvester P., Chari M.V.K. Finite Element Solution of Saturable magnetic field problems.- IEEE Trans., 1970, v. PAS-89, № 7, p. 1642-1648.

73. Silvester P., Rafinegad P. Curvilinear finite-elements for two dimensional saturable magnetic fields. IEEE Trans, v. PAS-93, № 6, 1974, p. 1861-1870.