高频微秒级脉冲精密电化学加工中的多场耦合数值模拟

摘要

电化学加工(Electrochemical machining,ECM)是利用金属材料发生氧化还原反应的电化学过程来去除材料和增加材料的。从原理上讲其加工过程中材料是以“离子”溶解的方式去除,因此该加工技术具有加工效率高、工具无损耗、加工表面质量好、与零件材料硬度无关、加工后工件无应力和变形等优点。
　　随着现代电力电子技术的发展,针对电化学加工对精度和表面质量的要求,直流电源逐渐被脉冲电源替代,而且脉冲电源的频率也在不断提高。高频微秒级脉冲电解加工可以有效地提高电解加工的加工精度和表面质量,可将电解加工从一般加工提高到精密加工水平。
　　多场耦合问题是指在一个系统中由两个或两个以上的物理场相互作用而产生的一种现象。多场耦合是一种自然现象,在机电产品中也越来越广泛地表现出它的影响。在这种情况下如果仅仅进行单物理场的分析计算(或称为计算仿真),显然得不到与现实情况相近甚至完全相符的仿真结果。随着计算机软硬件能力的不断提高,有限元分析从单物理场仿真发展为多物理场耦合仿真已成为必然趋势,因此,有的学者把多物理场耦合仿真称为有限元的未来。
　　电化学加工是一项综合电化学、流体力学和机械学等多学科知识的工艺技术,涉及电场、流场、温度场等多种物理场。对电解加工过程进行多物理场耦合仿真有助于指导工具阴极设计、优化工艺参数、缩短加工准备时间,对提高电解加工表面质量有重要意义。
　　本文介绍了电化学加工和高频窄脉冲电解加工的基本原理,分析了电解加工过程中的多场耦合关系和各个场的基础理论;运用AutoCAD建立了叶片电解加工区域二维几何模型,导入 COMSOL V4.3b,在进行必要的前处理并划分网格后对叶片电解加工进行电场和流场之间耦合关系的二维模拟仿真,得到加工区域内的流场压力等值线图和速度矢量图,以及电势分布及电流密度分布图,通过与直流电解加工耦合场仿真进行电导率的数据对比和电流密度大小的对比来验证理论研究、实验中已经证实的高频窄脉冲电解加工的优越性,并为下一步开展电解加工全过程仿真奠定了基础。

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第一章 绪 论

1.1 电解加工的应用及其发展趋势

1.2 电解加工的工艺特点

1.3 电解加工过程的计算机数值模拟

1.4 课题研究的主要内容及意义

第二章 高频窄脉冲电解加工加工机理探究

2.1 电解加工的理论基础

2.2 高频窄脉冲电解加工机理

2.3高频窄脉冲的加工效果

2.4 本章小结

第三章 电解加工过程分析

3.1 电解加工过程的电化学特性

3.2 电解加工工艺参数对加工结果的影响

3.3 电解加工间隙中的电场特性

3.4 电解加工中的间隙流场分析

3.5 电解加工过程中的温度场分析

3.6 电解液电导率变化、影响因素及其对加工结果的影响

3.7 本章小结

第四章 基于叶片电解加工过程的建模和仿真

4.1 有限元方法和 COMSOL Multiphysics软件介绍

4.2 电解加工过程中的流场、电场耦合关系分析

4.3 叶片模型的建立、导入和前处理

4.4 电解加工叶片的基本参数设置

4.5 COMSOL Multiphysics分析模块的选择

4.6 求解类型的选择

4.7 各模型的边界条件设置设置

4.8 直流电解加工叶片的仿真分析

4.9 考虑流场与电场耦合的脉冲电解加工叶片的仿真分析

第五章 结论和展望

5.1 论文总结

5.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况