液体金属电极放电通道建模及仿真

发布时间：2020-04-19 20:44

【摘要】：电火花加工具有宏观力小、放电能量密度高等优点,特别适用于结构复杂、材料特殊的微细精密加工,极大地促进我国制造业的发展。但电火花放电产生的电蚀除作用亦会蚀除电极导致加工精度大幅度降低。为彻底解决放电加工中微细电极制作复杂、电极损耗率大等瓶颈问题,本论文提出了液体金属电极的电火花加工方法。并针对目前电火花理论研究的局限性,深入研究了在多场耦合作用下液体金属电极放电通道形成的内在机理。针对液体金属电极,通过蒙特卡罗法分析计算了液体金属电极的发射特性,确定了粒子发射的初始条件。为更加精确地理解和描述发生在脉冲电压作用下的液体金属电极放电通道形成过程,建立了单脉冲电压作用下液体金属电极放电通道物理模型。采用粒子模拟法和蒙特卡洛碰撞理论(PIC-MCC)模拟液体金属电极放电通道内等离子体的运动,利用逐次超松弛迭代法(SOR)和Buneman-Boris法实现空间电势和等离子迭代更新,并通过加入特殊边界条件使液体金属电极放电通道物理模型更加精确。针对上述模型,利用MATLAB数学建模软件对数学模型进行算法设计及编程,实现了液体金属电极放电通道模型仿真结果的可视化。仿真结果从微观物理角度显示了等离子通道的产生、转移和稳定过程,液体金属电极放电通道中粒子的密度,速度和能量分布以及阳极和阴极的能量演变过程等。在分析微观物理过程的基础上,本论文也深入研究了不同极间电压对两极能量分布的影响,仿真结果显示:阳极和阴极的能量随电压升高而增加,稳定状态下,分配到阳极和阴极的能量变化不大,阳极约5.09%,阴极约12.24%。同时本文设计了液体金属电极电火花加工工艺实验,对所建立的液体金属电极放电通达通道物理模型和放电通道内能量的分布进行了实验验证,实验结果表明液体金属电极电火花加工方法的可靠性,以及仿真模型的正确性。
【图文】：

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文人也做了详细研究，结果表明在单次放电能量较低时，放电能量平均值与量平均值之间呈现线性相关的关系，，在能量处于高能级时电极损耗基本不达 50%[11]。比利时鲁汶大学的 FerrarisE 等人在正、负脉冲对电极的损耗行定量研究[12]。

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并通过高速摄像机拍摄了再脉冲电压下液体金属电极形成凸起尖端的过程，如图1-3 所示，实验结果得到其凸起尖端的夹角约为 49.3°与泰勒夹角相等[42]。D.Proskurovsky 通过仿真建模得到液体金属阴极随着电压比增加，其最后形成的凸起高度逐渐减小，其轮廓由锥形变为尖形[43]。A. V. Batrakov 等采用激光照明，获得了在泰勒锥尖端的熔融液体金属在等离子体压力作用下被排出的过程，液体金属射流的形成过程如图 1-4 所示[44]。Gomer R 等人讨论了液体金属泰勒锥产生电子和离子的机理，在电子发射情况下，对真空下的电弧形成机理进行分析，研究表明，起始离子是由场解吸附作用产生的[45]。G. A. Mesyats 等人研究了液体金属电极附近等离子体的密度分布，研究结果表明电子密度剖面最大为 1010cm-3，等离子体在阴极附近的密度为 1018cm-3[46]。S.Popov 等人研究了液态 Ga 阴极电极的爆发发射等离子特性，结果表明较高电荷离子分布概率随着外加电压的增高而增加，且在同等放电条件下毛细管针形液体金属阴极平均离子电荷大于毛细管?
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG661

【参考文献】