船体复杂曲面板电磁力辅助线加热成形方法基础研究

本项目提出了在钢板线加热过程中，同时通过电磁线圈在加热区域产生一定的电磁力，使钢板在线加热、冷却过程中自身产生的内应力和电磁外力共同作用下成形的新方法，不仅能提高成形加工的效率和成形精度，而且能有效保护钢板材质，尤其适合中厚钢板和高强度钢板的无模热成形加工。本项目从电磁力和热应力耦合变形机理研究入手，系统地研究电磁力和热应力耦合作用下钢板的变形响应，建立成形载荷和动态变形求解模型，同时通过分析电-磁-热耦合条件下的电磁力特性开展实验研究，为开展该方法的理论研究和实验研究奠定基础。在此基础上，采用数值模拟和实验相结合的方法研究电磁力辅助线加热成形变形规律和工艺参数优化方法，建立三维复杂船体曲面板的加热线布置算法和工艺参数规划策略，为建立基于该方法的钢板自动化加工系统奠定理论和技术基础。

目前，船体复杂曲面成形主要采用线加热成形工艺，其优点是操作方法简单、对设备要求低及成本较低等，但是，也存在成形规律不易掌握，特别是厚板和大曲率板需要反复加工，其加工效率和成形精度较低等问题。尤其对于高强钢板，当加工温度较高后材质会发生变化甚至产生裂纹，但温度较低又无法产生所需的变形，导致钢板的加工温度和成形之间存在矛盾。因此，本项目提出了利用电磁力辅助水火弯板成形工艺，即在水火弯板过程中利用电磁力辅助钢板成形。由于电磁能量易于控制，所以这种新工艺可以提高钢板的成形效率和成形精度。. 本项目采用数值仿真手段，从电磁力和热应力耦合变形机理研究入手，系统地研究电磁力和热应力耦合作用下钢板的变形响应，解决了电-磁-热-结构多物理场耦合方法的分析、三维有限元模型的建立及热边界条件的处理等关键技术；针对电磁力对钢板成形的辅助效果与钢板温度之间的关系进行了优化分析，并找出了使电磁力辅助作用最佳的温度范围；研究了电路参数如脉冲电流的幅值和频率、电磁线圈的形式等对于电磁力辅助效果的影响规律。在上述基础上，设计了电磁力辅助水火弯板成形工艺的主要参数，包括详细的水火弯板加热参数和最佳的电路参数。. 根据数值仿真对电-磁耦合条件下的电磁场集肤效应规律、磁场和磁场力分布特性、电磁力时空特性等研究的结果，确定了线圈形式和电磁力辅助钢板线加热成形装置电路的设计参数，完成了充电电路、放点电路和控制电路设计，并刻制了所有电路的PCB电路板，电路组装测试结果表明：（1）可输出稳定脉冲信号并最大可以实现14HZ-96Hz的范围可调；（2）在不改变频率的情况下可以实现独立改变占空比,可以实现占空比为10%~50%的调节即可以实现冲击频率的调节；（3）当控制信号流入时，可控硅触发的输出信号，与信号发生电路的输出信号保持时序关系，电压达到电源电压，工作良好。在此基础上，完成了电磁力辅助水火弯板工艺装置的整体设计和主体控制箱的构造设计，搭建了电磁力辅助水火弯板工艺试验平台。. 同时，本项目还开展了船体复杂曲面外板展开算法和电磁力辅助线加热成形工艺参数优化方法的研究，初步建立了三维复杂船体曲面板的加热线布置算法和工艺参数规划策略，为建立基于该方法的钢板自动化加工系统奠定理论和技术基础。