冲击载荷在工业生产及科学研究中具有一定的需求, 目前通常采用落锤、压杆或炸药爆炸等产生^[1-3], 落锤较为常用。近年来的有关研究表明, 冲击速度对于材料晶粒细化程度^[4]、金属材料的变形性能^[5]、粉末压实的致密度^[6]等都有很大的影响。受实验条件限制, 落锤很难继续提高冲击速度, 寻求具有一定冲击速度及冲击能量, 而且安全、可靠的冲击载荷, 显得尤为必要。国内外已将强脉冲磁场应用于金属成形领域, 并已在相关的研究中论及其所具有的冲击效应^[7-8], 但还没有对其驱动的冲击速度及能量作进一步的探讨。本文中对冲击过程中的放电电流进行测量, 以此作为激励条件, 对强脉冲电磁力驱动的冲击载荷进行有限元分析。获得冲头的冲击速度及冲击能量, 并与高速摄影获得的结果进行对比, 结果表明具有较好的一致性。

1.   强脉冲磁场及电磁力的有限元分析

强脉冲磁场产生的原理是:通过高压储能电容器组对电感线圈放电, 放电回路中获得近百kA的冲击电流, 使线圈上产生强脉冲磁场, 其原理如图 1所示。

图  1  强脉冲磁场产生示意图

Figure  1.  Generation of high-power pulsed magnetic field

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图 1中, 当开关闭合时, 充电电压为U的电容器组(电容量为C)对线圈放电, 若回路中总电阻为R(其值较小), 回路总电感为L, 则放电电流i解析式如下:

式中: $\beta = R/(2L), \omega = \sqrt {\omega _0^2 - {\beta ^2}} , {\omega _0} = 1/\sqrt {LC}$。

电容器组电容值为1 000 μF, 充电电压为10 kV时(储能为50 kJ), 采用分流器实测^[9], 获得的放电电流呈阻尼振荡形式, 且衰减很快, 第1峰值为57.75 kA, 周期约1.9 ms, 波形持续时间约4 ms。

产生冲击载荷的装置如图 2所示, 图中线圈为圆盘状, 外径176 mm, 匝数20, 线圈与驱动片间距1.5 mm。线圈与电容器组相连接, 当线圈中流过冲击电流时, 产生强脉冲磁场, 在该磁场作用下, 驱动片上由于电磁感应产生涡流(感应电流), 受冲击电磁力作用, 带动与之固定在一起的冲头向下运动, 经过一段自由行程的加速, 对试件进行高速冲击。

图  2  压缩冲击装置图

Figure  2.  Schematic of impact compression equipment

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采用ANSYS有限元软件分析电磁力, 考虑到对称性, 对所求解场域1/2建模^[10], 以实测的冲击电流作为线圈激励条件^[11], 得到数值模拟结果如图 3~6所示。图 3为放电瞬间的磁场场景, 磁感线为闭合曲线, 密度从线圈由内而外迅速衰减。数值模拟结果表明, 线圈与驱动片之间的窄缝内实现了磁通压缩, 集中了大量磁感线, 属于强磁场, 且磁感应强度只含有径向分量。

图  3  磁场场景图

Figure  3.  Magnetic flux line

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图  4  电流分布

Figure  4.  Distribution of current density

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图  5  电磁力分布

Figure  5.  Distribution of electromagnetic force (EMF)

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图  6  电磁力-时间曲线

Figure  6.  Curve of electromagnetic force vs. time

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图 4为线圈及驱动片的电流密度分布, 在驱动片上出现数值很大、与线圈电流方向相反的感应电流, 且分布不均匀。感应电流的不均匀分布是由其磁场分布决定的。在线圈与驱动片之间, 磁场只有径向分量, 由于集肤效应^[12], 渗入驱动片的磁场呈衰减分布。因而沿驱动片径向, 在约1/2半径处电流最大；沿轴向, 靠近线圈一侧电流明显大于另一侧, 由内及外呈衰减分布。

图 5为驱动片所受电磁力的矢量分布, 数值模拟结果表明驱动片主要受轴向电磁力的作用, 径向分量很小。轴向电磁力沿驱动片半径方向分布不均匀, 在距离中心约3/4半径处达到最大。

图 6为驱动片上轴向电磁力随时间变化曲线, 0~0.4 ms内驱动片上受到的电磁力迅速上升达到峰值3 200 N, 0.4~1 ms内电磁力迅速下降为0；1~1.4 ms内电磁力逐渐上升至400 N, 幅值远小于第1波峰；而后电磁力逐渐下降为0。通过分析可知, 驱动片受到连续脉冲力作用, 但对冲击起主要作用的是第1波峰。

2.   冲击的运动特性分析

强脉冲电磁力驱动的冲击, 是运动和磁场耦合的过程, 因此需采用耦合分析冲头的运动特性^[13]。在ANSYS/Multiphysics中建立冲击模型, 通过顺序耦合分析求解, 得到设备工作电压10 kV时冲头的速度-时间曲线，如图 7所示, 对速度-时间曲线进行积分获得的冲头位移-时间曲线如图 8所示。

图  7  冲头速度-时间曲线

Figure  7.  Curve of punch velocity vs. time

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图  8  冲头位移-时间曲线

Figure  8.  Curve of punch location vs. time

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由图 7可知, 0~0.8 ms内冲头运动速度快速上升到约37.5 m/s, 0.8~1.2 ms内运动速度基本保持不变；1.2~1.9 ms内冲头的速度逐渐增大到约42.5 m/s, 增幅远小于0~0.8 ms期间。与实测的冲击电流对照可知, 冲击速度在冲击电流前2/5周期内迅速增大, 在之后的3/5周期内, 速度继续上升, 但加速度远小于前2/5周期。可见, 冲头的加速过程主要集中在电流前2/5周期内, 冲头速度的变化与数值模拟所获得的电磁力变化相吻合, 参见图 6。

由图 8可知, 冲头位移随时间不断增大。通过对比图 7~8, 可以确定不同时刻冲头的速度及位移, 依此选择冲头的自由行程。

数值模拟表明:强脉冲电磁力驱动的冲击装置瞬时输出功率大, 适合于短时应用场合。理论分析表明, 改变电容器组电容值、电压值, 电感线圈的尺寸、匝数等参数可调节冲击电流的峰值及上升时间, 进而实现对冲击载荷的控制。

所设计的冲击机构冲头自由行程为16 mm, 由图 8可知, 对应的时间约为0.763 ms, 由图 7可知此时冲头运动速度v≈36.67 m/s, 经计算冲头的冲击能量E_k为:

式中:m为驱动片及冲头质量, 为6.5 kg；v为冲头速度, m/s。

3.   冲击载荷的测试

试验设备的基本参数:电容器组电容值为1 000 μF, 最高工作电压10 kV, 最大储能50 kJ。

采用Photron生产的型号为FASTCAM SA5 1000K-M2的高速摄像机测量该冲击载荷的速度^[14]。设定10 000 s^-1的拍摄速度。设备电压10 kV(储能50 kJ)时进行测试, 不同时刻冲头位置图像如图 9所示。

图  9  不同时刻冲头位置图

Figure  9.  Punch location at different time

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将图片导入CAD软件, 对冲头端部与试件间的距离s进行测量。再对相邻两幅图片中的距离做差, 得到在时间间隔Δt=10^-4 s内冲头所下落的位移Δs。根据公式v=Δs/Δt计算冲头下落速度, 结果如表 1所示。

表  1  不同时刻位移速度测量结果

Table  1.  Measured results of displacement and velocities at different time

s/mm	Δ s/mm	v/m·s-1
15.916
15.714	0.202	2.02
15.207	0.202	2.02
13.324	1.833	18.33
10.627	2.697	26.97
7.214	3.413	34.13
3.581	3.633	36.33
0	3.581	35.81

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由表 1可知, 冲头下落的最高速度v≈35.81 m/s。代入驱动片及冲头质量, 可得到冲击能量E_k=4.17 kJ, 与有限元分析结果较为接近。

4.   结论

(1) 本文中所实现的强脉冲电磁力驱动的冲击载荷冲击速度达到35.81 m/s以上, 冲击能量达到4.17 kJ, 是落锤所无法获得的。该冲击载荷具有冲击速度高、能量重复性好、易于精确调节(控制电容器的储能)、适合产生连续冲击(2~3次/min)等特点。(2)理论分析表明, 线圈中冲击电流所产生的强脉冲磁场, 使驱动片受到很大的脉冲电磁力。改变电容器组电容值、电压值, 电感线圈的尺寸、匝数等参数可调节冲击电流的峰值及上升时间, 进而实现对冲击载荷的控制。(3)高速摄像实现了对冲击速度的测量, 同时也展现了高速冲击过程中各元件的运动过程, 为机构改进提供了必要的参考。