Розрахунки термодеформування систем електропривідних тіл під дією електромагнітного поля

Abstract

Роботу присвячено питанням розрахункового аналізу деформування систем електропровідних тіл за дії електромагнітного поля. Дія електромагнітного поля проявляється в разі впливу на електропровідні тіла, у виникненні розподілених електромагнітних сил та розподілених джерел тепловиділення. Силова дія електромагнітного поля використовується у класі технологічних операцій – магнітно-імпульсній обробці матеріалів. Розробка та вдосконалення технологій магнітно-імпульсної обробки потребують проведення комплексних розрахункових досліджень, зокрема й спрямованих на оцінювання конструкційної міцності складових елементів. У роботі використовується метод розрахункового аналізу, який спирається на схеми методу скінчених елементів. Запропонований розрахунковий метод застосовано до аналізу розповсюдження електромагнітного та температурного поля, термодеформування прес-форми для гібридного (ізостатичного й електромагнітного) пресування порошків високоміцних сполук. Створено розрахункову схему, яка містить усі основні елементи прес-форми, а також зовнішній багатовитковий спіральний індуктор. Для врахування контактної взаємодії елементів прес-форми застосовується спосіб введення контактних шарів, які дискретизуються за допомогою відповідних спеціальних скінчених елементів. Одержано просторово-часові розподіли основних характеристик електромагнітного поля в елементах прес-форми. Характер розподілу електромагнітного поля під час імпульсу дозволяє застосовувати для аналізу термодеформування квазістаціонарний підхід відповідно до часового максимуму поля. Розв’язано також задачу нестаціонарного розповсюдження температурного поля завдяки ефектам тепловиділення. Аналіз термодеформування дозволив з’ясувати найбільш навантажені елементи прес-форми, порівняння з результатами розрахунків для випадку ізостатичного пресування дозволяє стверджувати, що в разі гібридної схеми навантаження прес-форми знижується, що дозволяє збільшувати тиски пресування. Одержані результати розрахунків дозволять сформулювати конкретні рекомендації щодо вибору раціональних конструкційних і експлуатаційних параметрів технологічної операції. Використані методи, підходи та розрахункова схема можуть застосовуватись до подібних технічних та технологічних систем зі спіральними багатовитковими індукторами.The work is devoted to the issues of computational analysis of deformation of systems of electrically conductive bodies under the action of electromagnetic field. The action of the electromagnetic field is manifested, in the case of influence on electrically conductive bodies, in the occurrence of distributed electromagnetic forces and distributed sources of heat. The forces of the electromagnetic field are used in the class of technological operations – electromagnetic forming. Development and improvement of electromagnetic forming technologies require complex computational research, including those aimed at assessing the structural strength of components. The paper uses the method of computational analysis, which is based on the schemes of the finite element method. The proposed calculation method is applied to the analysis of electromagnetic and temperature field propagation, and thermodeformation of a press-mold for hybrid (isostatic and electromagnetic) compression of powders of high-strength compounds. A calculation scheme has been created, which contains all the main elements of the press-mold, as well as an external multi-turn spiral inductor. To take into account the contact interaction between the elements of the press-mold, a method of introducing contact layers is used, which are modeled using the appropriate special finite elements. The space-time distributions of the main characteristics of the electromagnetic field in the elements of the press-mold are obtained. The nature of the distribution of the electromagnetic field during the pulse allows to apply a quasi-stationary approach to the analysis of thermo-deformation in accordance with the time maximum of the field. The problem of non-stationary propagation of the temperature field due to the effects of heat release is also solved. The analysis of thermo-deformation allowed to find out the most loaded elements of the mold, comparison with the results of calculations for the case of isostatic pressing suggests that in the case of a hybrid scheme, the load of the mold is reduced, which increases the pressing pressure. The obtained results of calculations will allow to formulate specific recommendations on the choice of rational design and operational parameters of the technological operation. The methods, approaches and calculation scheme used can be applied to similar technical and technological systems with spiral multi-turn inductors.