УДК 621.77:629.7.02
А954
Рецензенты:
д-р техн. наук, доцент Д. А. Чинахов
канд. техн. наук, доцент А. Г. Тюрин
Любое использование материала данной монографии, полностью
или частично, без разрешения правообладателя запрещается
Ахмед Солиман М. Э.
А954
Численное исследование процессов интенсивной обработки металлов давлением
и ее реализация в производстве деталей летательных аппаратов : монография
/ М. Э. Ахмед Солиман, Н. В. Курлаев. – Новосибирск : Изд-во НГТУ,
2025. – 182 с. – (Монографии НГТУ).
ISBN 978-5-7782-5464-0
В процессе электромагнитного формования используют конденсаторную батарею,
формовочную катушку, формирователь поля и электропроводящую заготовку для создания
давления импульсного магнитного поля, которые используются в производстве
деталей летательных аппаратов. Это очень интенсивное магнитное поле, создаваемое
разрядом батареи конденсаторов в формовочную катушку, длится всего несколько микросекунд.
Результирующие вихревые токи, которые индуцируются в проводящей заготовке,
помещенной близко к катушке, взаимодействуют с магнитным полем, вызывая
взаимное отталкивание между заготовкой и формовочной катушкой. Сила этого отталкивания
достаточна, чтобы напрячь рабочий металл сверх его предела текучести, что
приводит к постоянной деформации.
Проводимость заготовки и вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитным
полем катушки, приводят к чистому давлению на поверхность заготовки. По мере того
как поверхность заготовки движется внутрь под воздействием этого давления, она поглощает
энергию из магнитного поля. Чтобы применить большую часть этой доступной
энергии для формовки и уменьшить потери энергии из-за проницаемости материала заготовки
(что тратит энергию на резистивный нагрев), импульс формовки поддерживается
коротким. В большинстве случаев формовки импульсы имеют длительность от
10 до 100 секунд.
УДК 621.77:629.7.02
DOI 10.17212/978-5-7782-5464-0
ISBN 978-5-7782-5464-0
© Ахмед Солиман М. Э., Курлаев Н. В., 2025
© Новосибирский государственный
технический университет, 2025
Стр.4
УДК 621.77:629.7.02
А954
Peer reviewers:
D. A. Chinakhov, D.Sc. (Eng.)
Associate professor A. G. Tyurin, PhD (Eng.)
Any use of the material in this monograph, in whole or in part,
without the permission of the copyright holder is prohibited
Akhmed Soliman M. E.
А954
Numerical study of intensive metal forming processes and their implementation
in the production of aircraft components : monograph / M. E. Akhmed Soliman,
N. V. Kurlaev. – Novosibirsk : NSTU Publisher, 2025. – 182 p. – (NSTU Monographs).
ISBN 978-5-7782-5464-0
In the process of electromagnetic forming, a capacitor bank, forming coil, field shaper,
and electrically conductive workpiece are used to generate the pressure of a pulsed magnetic
field, which is employed in the production of aircraft components. The extremely intense
magnetic field, created by the discharge of the capacitor bank into the forming coil, lasts only
a few microseconds. The resulting eddy currents, induced in the conductive workpiece placed
near the coil, interact with the magnetic field, causing a repulsive force between the workpiece
and the forming coil. The magnitude of
this repulsive force is sufficient to stress the
workpiece beyond its yield strength, resulting in permanent deformation.
The conductivity of the workpiece and the eddy currents interacting with the coil’s
magnetic field produce a net pressure on the surface of the workpiece. As the surface of the
workpiece moves inward under this pressure, it absorbs energy from the magnetic field. To
maximize the portion of available energy used for forming and minimize energy losses due to
the permeability of the workpiece material (which dissipates energy as resistive heating), the
forming pulse is kept short. In most forming applications, pulse durations range from 10 to
100 microseconds.
УДК 621.77:629.7.02
DOI 10.17212/978-5-7782-5464-0
ISBN 978-5-7782-5464-0
© Akhmed Soliman M. E., Kurlaev N. V., 2025
© Novosibirsk State Technical University, 2025
Стр.6
176
ОГЛАВЛЕНИЕ
Принятые сокращения ......................................................................................................................... 7
Введение ............................................................................................................................................... 8
Глава 1. Аналитический обзор и постановка задач исследования ........................................... 9
1.1. Факторы, определяющие точность импульсного формообразования листовых
деталей ..................................................................................................................................... 9
1.2. Принцип и характеристики магнитно-импульсной штамповки ........................................ 11
1.3. Давление электромагнитного поля ...................................................................................... 13
1.4. Расчет величины давления ИМП на заготовку ................................................................... 15
1.5. Технологические возможности и недостатки МИОМ ....................................................... 18
1.6. Классификация типовых деталей листовой штамповки методом МИОМ ....................... 20
1.7. Разработка конструкции индуктора ..................................................................................... 25
1.8. Конструкции технологического приспособления .............................................................. 29
1.9. Краткие выводы ..................................................................................................................... 31
Глава 2. Формообразование вытяжки в глухой и открытой матрице
магнитно-импульсным давлением ................................................................................. 33
2.1. Формообразование вытяжки в глухой матрице .................................................................. 35
2.1.1. Создание конечно-элементной модели в программе LS-DYNA............................ 35
2.1.2. Результаты моделирования ....................................................................................... 36
2.2. Формообразование вытяжки в открытой матрице ............................................................. 41
Создание конечно-элементной модели в программе LS-DYNA ..................................... 41
2.3. Результаты моделирования ................................................................................................... 44
Глава 3. Формообразование выпуклых рифтовых элементов при раздаче трубы
давлением импульсного магнитного поля.................................................................... 49
3.1. Формообразование одного выпуклого рифтового элемента ............................................. 50
Анализ результатов .............................................................................................................. 50
3.2. Формообразование двух выпуклых рифтовых элементов ................................................. 56
Анализ результатов .............................................................................................................. 57
3.3. Полученные результаты ........................................................................................................ 60
Стр.176
177
Глава 4. Совершенствование технологии электромагнитного обжима патрубка
с жалюзи системы воздухообмена летательных аппаратов путем численного
моделирования .................................................................................................................... 61
4.1. Анализ магнитного поля для модели электромагнитного обжима трубы ........................ 64
4.2. Численное моделирование и постановка задачи ................................................................ 66
4.3. Результаты и их обсуждение ................................................................................................ 74
Глава 5. Изготовление патрубка с жалюзи системы кондиционирования воздуха ЛА
методом раздачи давлением импульсного магнитного поля ................................... 75
5.1. Анализ магнитного поля для модели электромагнитной раздачи трубы ......................... 77
5.2. Численное моделирование и постановка задачи ................................................................ 80
5.3. Результаты и их обсуждение ................................................................................................ 86
Глава 6. Исследование соединения алюминиевых труб и стержней различной
геометрии электромагнитно-импульсной сваркой ..................................................... 87
6.1. Принцип работы и постановка задачи ................................................................................. 89
6.2. Численное моделирование и методы его решения ............................................................. 92
6.3. Влияние параметров удара на процесс шовной сварки ..................................................... 96
6.4. Результаты и их обсуждение .............................................................................................. 101
Глава 7. Проектирование формирователя поля для электромагнитной сварки
алюминиевых листовых деталей летательных аппаратов ..................................... 103
7.1. Принцип и моделирование электромагнитной сварки ..................................................... 104
7.2. Численное моделирование и методы его решения ........................................................... 106
7.3. Основные результаты .......................................................................................................... 113
Глава 8. Численное исследование высокоскоростной сварки косым ударом
методом гидродинамики сглаженных частиц ............................................................ 115
8.1. Численная модель ................................................................................................................ 119
8.2. Состояние ударной сварки ................................................................................................. 120
8.3. Результаты и их обсуждение .............................................................................................. 127
Глава 9. Технологический процесс на производстве ............................................................... 129
9.1. Требования к технологической оснастке при выполнении МИОМ ............................... 129
9.2. Разработка маршрутной технологии изготовления детали с помощью МИОМ ........... 130
9.3. Выбор магнитно-импульсной установки .......................................................................... 134
9.4. Проектирование участка магнитно-импульсной листовой штамповки деталей ........... 135
9.4.1. Подбор технологического оборудования ............................................................... 136
9.4.2. Определение необходимого количества персонала .............................................. 137
9.4.3. Определение площади участка МИОМ ................................................................. 138
Стр.177
178
Глава 10. Сравнение экономической эффективности базового и предлагаемого
технологических процессов изготовления деталей ................................................ 141
10.1. Расчет капитальных вложений ......................................................................................... 141
10.2. Расчет точки окупаемости проекта и интегрального экономического эффекта
от технического перевооружения .................................................................................... 148
10.2.1. Расчет годового экономического эффекта ........................................................... 148
10.2.2. Расчет налога на имущество ................................................................................. 148
10.2.3. Расчет налога на прибыль ..................................................................................... 148
10.2.4. Расчет интегрального экономического эффекта и срока окупаемости
капитальных вложений ......................................................................................... 149
Глава 11. Охрана труда ................................................................................................................. 151
11.1. Вредные и опасные производственные факторы, возникающие при работе
с МИОМ ............................................................................................................................. 151
11.2. Мероприятия по организации безопасной эксплуатации МИУ .................................... 152
11.3. Расчет заземления установки ........................................................................................... 154
11.4. Основные результаты ........................................................................................................ 162
Библиографический список ............................................................................................................ 163
Стр.178
179
CONTENTS
Abbreviations ......................................................................................................................................... 7
Introduction ............................................................................................................................................ 8
Chapter 1. Analytical Review and Formulation of Research Objectives ........................................ 9
1.1. Factors determining the accuracy of pulsed sheet forming ............................................................. 9
1.2. Principle and characteristics of electromagnetic pulse stamping .................................................. 11
1.3. Pressure of the electromagnetic field ............................................................................................ 13
1.4. Calculation of the pulsed magnetic field (PMF) pressure on the workpiece ................................. 15
1.5. Technological capabilities and limitations of electromagnetic pulse (EMP) forming .................. 18
1.6. Classification of typical sheet metal components by EMP forming method ................................. 20
1.7. Development of the inductor design ............................................................................................. 25
1.8. Designs of technological fixtures .................................................................................................. 29
1.9. Brief conclusions ........................................................................................................................... 31
Chapter 2. Forming of Drawn Parts in Closed and Open Dies by Electromagnetic-Pulse
Pressure ............................................................................................................................................... 33
2.1. Forming of drawn parts in a closed die ......................................................................................... 35
2.1.1. Creation of a finite element model in LS-DYNA ............................................................... 35
2.1.2. Simulation results ............................................................................................................... 36
2.2. Forming of drawn parts in an open die.......................................................................................... 41
Creation of a finite element model in LS-DYNA ......................................................................... 41
2.3. Simulation results .......................................................................................................................... 44
Chapter 3. Forming of Convex Corrugated Elements during Tube Expansion
by Electromagnetic-Pulse Pressure ................................................................................................. 49
3.1. Forming of a single convex corrugated element ........................................................................... 50
Analysis of results ......................................................................................................................... 50
3.2. Forming of two convex corrugated elements ................................................................................ 56
Analysis of results ......................................................................................................................... 57
3.3. Results ........................................................................................................................................... 60
Стр.179
180
Chapter 4. Improvement of the Electromagnetic Crimping Technology for the Duct with
Louvers of Aircraft Air Exchange Systems via Numerical Modeling ........................................... 61
4.1. Analysis of the magnetic field for the electromagnetic tube crimping model ............................... 64
4.2. Numerical modeling and problem formulation ............................................................................. 66
4.3. Results and discussion ................................................................................................................... 74
Chapter 5. Fabrication of the Duct with Louvers for Aircraft Air Conditioning Systems
by Tube Expansion Using Electromagnetic-Pulse Pressure ........................................................... 75
5.1. Analysis of the magnetic field for the electromagnetic tube expansion model ............................. 77
5.2. Numerical modeling and problem formulation ............................................................................. 80
5.3. Results and discussion ................................................................................................................... 86
Chapter 6. Investigation of Joining Aluminum Tubes and Rods of Various Geometries
by Electromagnetic-Pulse Welding ................................................................................................... 87
6.1. Working principle and problem formulation ................................................................................. 89
6.2. Numerical modeling and methods for its solution ........................................................................ 92
6.3. Influence of impact parameters on the seam welding process ...................................................... 96
6.4. Results and discussion ................................................................................................................. 101
Chapter 7. Design of the Field Shaper for Electromagnetic Welding of Aluminum Sheet
Components for Aircraft ................................................................................................................. 103
7.1. Working principle and modeling of electromagnetic welding .................................................... 104
7.2. Numerical modeling and methods for its solution ...................................................................... 106
7.3. Main results ................................................................................................................................. 113
Chapter 8. Numerical Investigation of High-Speed Oblique Impact Welding
by Smoothed Particle Hydrodynamics ........................................................................................... 115
8.1. Numerical model ......................................................................................................................... 119
8.2. Conditions of impact welding ..................................................................................................... 120
8.3. Results and discussion ................................................................................................................. 127
Chapter 9. Industrial Manufacturing Process ............................................................................... 129
9.1. Requirements for technological tooling in EMP forming ........................................................... 129
9.2. Development of the process route for component fabrication using EMP forming .................... 130
9.3. Selection of the electromagnetic-pulse forming equipment ........................................................ 134
9.4. Design of the electromagnetic-pulse sheet metal forming section .............................................. 135
9.4.1. Selection of technological equipment ............................................................................... 136
9.4.2. Determination of required personnel ................................................................................ 137
9.4.3. Determination of the EMP forming section area .............................................................. 138
Стр.180
181
Chapter 10. Comparison of the Economic Efficiency of the Baseline and Proposed
Manufacturing Processes for Component Fabrication ................................................................. 141
10.1. Calculation of capital investments ............................................................................................ 141
10.2. Calculation of the project payback point and the overall economic effect of technical
modernization .................................................................................................................................... 148
10.2.1. Calculation of annual economic effect ............................................................................ 148
10.2.2. Calculation of property tax ............................................................................................. 148
10.2.3. Calculation of income tax ............................................................................................... 148
10.2.4. Calculation of the overall economic effect and payback period of capital
investments ................................................................................................................................. 149
Chapter 11. Occupational Safety .................................................................................................... 151
11.1. Hazardous and dangerous production factors arising during work with EMP forming ............ 151
11.2. Measures for the safe operation of EMP installation ................................................................ 152
11.3. Calculation of the grounding of the installation ........................................................................ 154
11.4. Main results ............................................................................................................................... 162
References ......................................................................................................................................... 163
Стр.181