中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 秦玉波 高明輝 鄒 方

電磁鉚接技術(shù)與傳統(tǒng)鉚接方法相比，在保證結(jié)構(gòu)長壽命、難成型鉚釘?shù)你T接和改善勞動條件等方面具有明顯的優(yōu)勢。由電磁鉚接的原理可知，電磁鉚接的鉚接力主要對初級線圈放電，使次級線圈產(chǎn)生感應電流，最終兩個線圈相互作用產(chǎn)生渦流斥力推動鉚槍動子部分完成鉚接。

目前電磁鉚接主要存在兩種放電回路，一種是電容直接對線圈放電；另一種是在放電電容和線圈之間加一個變壓器。這兩種電磁鉚接設(shè)備的典型代表中，前者為美國EI生產(chǎn)的電磁鉚接設(shè)備，后者為俄國的電磁鉚接設(shè)備。本文采用有限元方法對兩者分別進行仿真，為便于比較分析，兩仿真僅放電回路不同，剩下部分完全相同。

1 仿真模型的建立和仿真參數(shù)的設(shè)置

仿真模型主要用到Ansoft Maxwell 2D軟件和Ansoft自帶的電路編輯軟件。Ansoft Maxwell 2D是專業(yè)的電磁仿真軟件，考慮到鉚槍中多場耦合正好可以用此軟件來解決這些問題。

1.1 外電路模型的建立

用Ansoft Maxwell Circuit Editor建立外電路模型。該軟件是Ansoft自帶的電路編輯軟件，使用它建立外電路模型可以方便進行下一步的聯(lián)合仿真。建立的外電路模型如圖1所示。

（1）無變壓器的放電回路。

這個模型比較簡單。模型中主要是電路參數(shù)的選取設(shè)置。電容容量設(shè)置為93750μF，初始電壓設(shè)置為400V?；芈分械碾娮杞?jīng)實際測量設(shè)置為27mΩ，電感主要是初級線圈的電感，經(jīng)測量設(shè)置為91.6μH。

圖1 放電電路模型Fig.1 Discharge circuit model

（2）帶變壓器的放電回路。

這個模型設(shè)置時設(shè)置了兩組參數(shù)。一組電容設(shè)置為15000μF，初始電壓設(shè)置為1000V；另一組電容為600μF，初始電壓為5000V。電容設(shè)置時主要是結(jié)合實際情況和考慮電容初始儲存能量相等便于比較。由于變壓器的存在，回路變成兩個，第一個回路的由電容、電阻和變壓器的初級組成。第二個回路由變壓器的次級、電阻和初級線圈組成。為了仿真方便把變壓器當成理想的變壓器來處理。

1.2 鉚槍模型

兩種放電電路用到的鉚槍參數(shù)基本一樣，為了便于比較，兩者的鉚槍模型設(shè)置相同?？紤]到計算的時效性，建立模型時適當對模型進行簡化。由于鉚槍中的動力線圈近似可以看成軸對稱，因此在建立時可以用二維模型來代表鉚槍。又由于次級線圈實際上是一個圓形的銅板，而渦流斥力主要作用在銅板上，因此在建立鉚槍模型時，僅需建立初級線圈和次級線圈即可，并把整個動子的質(zhì)量加到次級線圈上。建立的模型如圖2所示，進行網(wǎng)格劃分后的局部放大圖如圖3所示。

1.3 仿真參數(shù)的設(shè)定

圖2 簡化后鉚槍二維模型Fig.2 Simplified rivet gun model

圖3 劃分網(wǎng)格后的局部放大圖Fig.3 Partial enlarged view after mesh generation

仿真參數(shù)主要分為兩部分，一部分是外電路參數(shù)的設(shè)定，設(shè)定的主要參數(shù)主要是電容上的初始電壓和電容容量，設(shè)置的具體參數(shù)如表1所示（設(shè)置的條件是初始能量相同，均為7.5kJ）；另一部分是仿真時的參數(shù)設(shè)置。由于實際鉚接時，鉚槍的次級線圈會有一定移動，因此在仿真時必須考慮次級線圈的移動距離。由于鉚釘?shù)淖冃我话阍趲装傥⒚氲胶撩爰壷g[1]，所以設(shè)置仿真的時間為1.5ms。仿真時沒有考慮鉚模的存在，也不考慮變形，主要對電路的電流、次級線圈受到的力和速度等參數(shù)進行了仿真。

考慮到鉚釘變形距離不會太大，設(shè)置次級線圈的行程為10mm。

2 仿真結(jié)果與分析

仿真結(jié)果說明，在設(shè)置完上述參數(shù)后，有變壓器B的在不到1ms時就已經(jīng)走到10mm，因此有變壓器B時就仿真到1ms。為了比較在10mm時的次級線圈的速度，在速度仿真時的結(jié)果時間有所增加。

表1 不同外電路模型的仿真參數(shù)

次級線圈受力隨時間的變化曲線如圖4所示。從圖中可以看出，次級線圈受力并不是隨時間一直在增加，而是成震蕩衰減，并且在第一個周期中力最大，下一個周期已經(jīng)衰減得比較小。通過對比有變壓器A和無變壓器的力變化曲線，發(fā)現(xiàn)次級線圈受力峰值比較接近，但有變壓器A的略大；從力的周期來看，無變壓器的周期很長。高明輝等[2]在1000V電壓下測得的電磁力為10.086kN，與有變壓器A仿真的峰值9.25kN比較接近，可以間接驗證仿真的準確性。通過對比有變壓器A和有變壓器B的力變化曲線，可看出有變壓器B的力的峰值大很多，但周期很短?？紤]到實際中鉚釘?shù)淖冃?，力的加載速率對鉚釘?shù)淖冃斡绊戄^大，當加載速率高時鉚釘易產(chǎn)生裂紋[1]，因此應當選用加載速率低、電磁力大的參數(shù)來設(shè)計放電回路。

圖4 次級線圈受力隨時間的變化Fig.4 Force variations of second coil with time

線圈中電流隨時間的變化曲線如圖5所示。從圖中可以看出，有變壓器A的電流峰值最小且與無變壓器的峰值相差不大，有變壓器B的電流峰值最大。從周期上看，有變壓器B的周期最短，無變壓器的周期最長。結(jié)合圖4可以看出，當電流增加時電磁力增加，而當電流減小時電磁力減小，與理論分析相一致。

次級線圈移動速度隨時間的變化曲線如圖6所示。圖中所采用數(shù)據(jù)為次級線圈在10mm時的速度變化情況。從圖中可以看出，次級線圈的速度并不是一直增加而是波動增加的，與力的變化曲線是相對應的，考慮到實際鉚接時主要是第一個周期起作用，因此速度第二次增加應不予考慮?；谝陨峡紤]來看幅值，無變壓器的速度最高，有變壓器A的速度最低。從能量的利用率來看，由于初始能量都一樣，在考慮到上面的情況下無變壓器的能量利用率最高。具體能量利用率見表2。

圖5 主線圈中電流隨時間的變化Fig.5 Current variations of main coil with time

圖6 次級線圈移動速度隨時間的變化Fig.6 Ve locity variations of second coil with time

表2 不同外電路模型的能量變化

3 結(jié)論

通過兩種放電回路，3組初始參數(shù)的仿真結(jié)果對比，可以發(fā)現(xiàn)在同樣的能量下，小電容、高電壓的電磁力峰值最高；大電容、低電壓的放電周期最長；而有變壓器A的放電模型整體性能介于兩者之間。另外還可以從仿真結(jié)果看出，當線圈中的電流增加時，次級線圈受力增加；線圈中的電流減小時，次級線圈受力減小。因此，在電磁鉚接設(shè)備設(shè)計時，次級線圈的行程應設(shè)計在合理的范圍內(nèi)。外電路設(shè)計時，要結(jié)合鉚釘材料選擇合適的力和周期，然后根據(jù)力的峰值和周期設(shè)置合適的電路及參數(shù)。

[1] 曹增強，佘公藩，夏力農(nóng)，等. 不同加載速率下鉚釘材料變形研究 .西北工業(yè)大學學報，2000，18(1)：27-30.

[2] 高明輝，肖慶東，許國康. 一種電磁鉚接力測量裝置//李志強，劉華東.第四屆數(shù)字化柔性裝配技術(shù)論壇論文集—裝配數(shù)字化與自動化技術(shù). 北京：國防工業(yè)出版社, 2013:144-148.