Abaqus: Formowanie za pomocą impulsu magnetycznego. Analiza EMAG.

Zjawisko formowania indukcyjnego jest ważne w zastosowaniach inżynierskich, takich jak zaciskanie, formowanie, spawanie i do pewnego stopnia cięcie. W procesie formowania indukcyjnego bateria kondensatorów jest początkowo ładowana, aby zawierała energię elektryczną, zwykle rzędu kJ. Zespół kondensatorów jest następnie rozładowywany w mniej niż milisekundę za pomocą obwodu elektrycznego, który składa się z cewek, które zwykle otaczają formowany metalowy element obrabiany. Proces rozładowania wytwarza wysokie prądy w cewce, które generują siły elektromagnetyczne wystarczająco duże, aby pokonać granicę plastyczności przedmiotu obrabianego i spowodować trwałe odkształcenie przedmiotu obrabianego.

Na tych warsztatach przeanalizujemy problem formowania cylindrycznej metalowej rury za pomocą otaczających cewek o prostokątnym przekroju poprzecznym. Przeprowadzimy analizę elektromagnetyczną przejściową w czasie, połączoną sekwencyjnie z przejściową analizą mechaniczną przy użyciu funkcji kosymulacji Abaqus/Standard. Ustawimy model tak, aby siła Lorentza generowana na metalowej rurze w analizie elektromagnetycznej była automatycznie mapowana jako obciążenie na model mechaniczny prowadzący do odkształcenia rury. Załóżmy, że siły elektromagnetyczne obliczone na początkowej konfiguracji rury są zbliżone do sił elektromagnetycznych generowanych podczas odkształcania rury.

Rys. 1 Geometria
Model reprezentuje jedną ósmą dziedziny problemu i jest pokazany na rysunku 2. Zewnętrzny promień metalowej rurki cylindrycznej wynosi 25 mm. Jego grubość i długość wynoszą odpowiednio 1,2 mm i 120 mm. Rurę otacza osiem zwojów, które są wyśrodkowane wzdłuż długości rurki (na rysunku 2 pojawiają się tylko cztery zwoje ze względu na symetrię). Każdy zwój ma pole przekroju poprzecznego 5 mm × 3 mm, wewnętrzny promień 28 mm i grubość 3 mm. Cewki są oddalone od siebie o 3,71 mm wzdłuż długości rury. Zewnętrzne granice domeny znajdują się na tyle daleko od uzwojenia cewki, że nie wpływają znacząco na fizykę problemu. Do późniejszej analizy mechanicznej modelowana jest tylko geometria rury.

Właściwości materiału rury są wybrane jako właściwości stopu aluminium (A3003). Oporność elektryczna tego stopu wynosi 3,4×10 8 Ω-m i zakłada się, że jego przenikalność magnetyczna jest równa przenikalności próżni równej 4 × 10 7 H/m. Gęstość materiału, moduł Younga i współczynnik Poissona stopu wynoszą odpowiednio 27 400 kg/m 3 , 68 400 MPa i 0,31.

Rys. 2 Model

Do analizy prądów wirowych model składa się z około 10 tyś. sześciościennych elementów elektromagnetycznych (EMC3D8). Do późniejszej mechanicznej analizy, model składa się z około 8 tyś. heksaedrycznych elementów (C3D8R).

Do analizy prądów wirowych na płaszczyznach symetrii stosowane są odpowiednie warunki brzegowe symetrii (albo jednorodny Dirichlet, albo jednorodny Neumann). Na powierzchniach zewnętrznych zastosowano jednorodne warunki brzegowe Neumanna.

Przejściowa procedura analizy prądów wirowych o niskiej częstotliwości jest stosowana do obliczenia siły elektromagnetycznej generowanej na metalowej rurze.

Rys. 3 Widok w programie

Do przygotowania modelu elektromagnetyczny w Abaqus/CAE musimy określić materiały magnetyczne i powietrze. Dalej określić krok elektromagnetyczny, w funkcji harmonicznej czasu na wartość 50Hz. Następnym krokiem w programie będzie określenie obciążeń i krzywą amplitudy oraz gęstość zadanego prądu (0,4 A/m2) oraz ustawienie warunków brzegowych.

W dalszej części możemy ustawić nasze wyniki z analizy elektromagnetycznej do naszych potrzeb. Takie jak ustawianie wizualizacji 3d lub wykresy 2d. Jak widać na rysunku 3, pokazując model w przekroju i wizualizacji przenikalnej, możemy dołożyć do niego wyniki gęstości siły elektromagnetycznej z miejscami występowania, co może być przydatne w projekcie.

Rys. 4 Wykres gęstości siły elektromagnetycznej na rurze w ostatnim przyroście czasu

Widzimy z wykresu, że siła elektromagnetyczna działająca na rurkę jest ściskająca i jest większa w środku rury w porównaniu do jej końców.

Również możemy utworzyć na warstwie modelu wykres gęstości prądu indukowanego. Wybierzemy do tego w opcjach wizualizacji pole EMCD jako zmienną podstawową. Opcjonalnie można użyć wyników reprezentujących powtarzalną część modelu do wizualizacji wyników dla całego modelu (360°) przy użyciu opcji wyświetlania modelu „Mirror/Pattern” w opcjach widoku.

Rys. 5 Wykres gęstości prądu w ostatnim przyroście czasu

Na rysunku 5 widzimy, że indukowana gęstość prądu jest większa na zewnętrznej powierzchni rury w porównaniu z jej wewnętrzną powierzchnią, a także, że jest większa w środku rury w porównaniu z jej końcami ze względu na bliskość cewek. Zazwyczaj indukowana gęstość prądu będzie miała ten sam rząd wielkości, co zastosowana gęstość prądu. Po dalszym ustawieniu wyników możemy uzyskać wizualizację odkształconej rurki w ostatnim przyroście czasu.

Rys. 6 Kształt odkształconej rury w ostatnim przyroście czasu

Dzięki opcji kosymulacji w programie Abaqus, jesteśmy w stanie zasymulować równocześnie zagadnienie strukturalne i elektromagnetyczne. Analiza pokazuję jakie możliwość ma program Abaqus w kwestii badań Elektromagnetycznych (EMAG). Naszym głównym programem do badań elektromagnetycznych jest CST Suite ale do prostych analiz EMAG solver Standard w Abaqusie jest zupełnie wystarczający. Gdy posiadamy wszystkie dane wejściowe, możemy prosto i szybko przeprowadzić interesującą nas symulację. Dzięki opcji wizualizacji możemy łatwo stworzyć potrzebne wyniki.

Post: Abaqus: Formowanie za pomocą impulsu magnetycznego. Analiza EMAG.