薄壁大徑厚比環(huán)筋構(gòu)件充液壓形新方法及成形機理研究

由于空空導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展，迫使現(xiàn)代戰(zhàn)機轉(zhuǎn)變?yōu)楦⒅嘏郎?、最大瞬間盤旋角，發(fā)展過失速等超常規(guī)規(guī)避能力，特別是倍受各國軍方青睞的無人機可完全拋開生理過載限制，最大限度的進行超常規(guī)機動。為進一步提高可靠性和超常規(guī)機動能力，現(xiàn)代戰(zhàn)機進氣系統(tǒng)需要薄壁大徑厚比整體進氣道。但傳統(tǒng)整體成形技術(shù)制造此類構(gòu)件時出現(xiàn)起皺失穩(wěn)和筋板側(cè)翻缺陷無法克服。針對上述實際需求，本項目提出了充液壓形新方法，實現(xiàn)了該類大徑厚比環(huán)筋構(gòu)件的整體成形?；趶椝苄粤W(xué)并結(jié)合數(shù)值仿真和實驗，對帶筋管壓形塑性變形規(guī)律進行了研究，揭示了成形極限、回彈特征、典型缺陷類型及控制方法，并給出了用于指導(dǎo)實踐的成形窗口圖。 通過理論分析、數(shù)值模擬結(jié)合實驗對帶筋管的成形規(guī)律進行了研究，并對在成形過程中產(chǎn)生的缺陷和不足等進行力學(xué)分析。證實了帶筋管應(yīng)用充液壓形技術(shù)整體成形的可行性。分析了帶筋管在充液壓形過程中的塑性變形機理，給出了成形極限。系統(tǒng)總結(jié)了帶筋管充液壓形的三種類型缺陷：筋板傾倒、筋板失穩(wěn)起皺以及薄壁管（無筋處）塌陷。對帶筋管在成形過程中產(chǎn)生的缺陷進行探討分析。并最終給出了缺陷控制方法和成形窗口圖。 以DP600高強鋼管為坯料進行管材充液壓形的回彈規(guī)律研究。首先，通過理論分析揭示了內(nèi)壓對管材充液壓形回彈的影響機理并建立了預(yù)測數(shù)學(xué)模型。區(qū)別于傳統(tǒng)板材成形，帶筋管由于同時受筒體和筋板的耦合約束，當(dāng)內(nèi)壓小于回彈臨界內(nèi)壓時，回彈隨著內(nèi)壓的增大而增大；當(dāng)內(nèi)壓等于回彈臨界內(nèi)壓時，回彈達到最大；其次，利用有限元模擬分析給出了內(nèi)壓、圓角半徑、壁厚對回彈量、環(huán)向力和彎矩的影響規(guī)律，驗證了理論分析的正確性，并給出了內(nèi)壓、圓角半徑、壁厚對管材充液壓形回彈變形輪廓的影響規(guī)律；最后，基于理論分析和有限元模擬結(jié)果設(shè)計實驗進行實驗研究，實驗結(jié)果較好地吻合了理論分析和有限元模擬結(jié)果，為控制管材充液壓形的回彈提供一定的參考。 除了上述結(jié)果外，通過本課題的研究，還進一步明晰了封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)壓對臨界失穩(wěn)彎矩的影響特征，并對此進行了模型化，從而獲得了一種降低臨界失穩(wěn)應(yīng)力進而實現(xiàn)加筋結(jié)構(gòu)整體成形的新思路，可為其他復(fù)雜截面構(gòu)件整體成形提供啟發(fā)和幫助。 2100433B

為進一步提高可靠性和超常規(guī)機動能力，現(xiàn)代戰(zhàn)機進氣系統(tǒng)需要薄壁大徑厚比整體進氣道。傳統(tǒng)整體成形技術(shù)制造此類構(gòu)件時出現(xiàn)起皺失穩(wěn)和筋板側(cè)翻缺陷無法克服。為解決上述難題，實現(xiàn)該類大徑厚比環(huán)筋構(gòu)件的整體成形，本項目提出充液壓形新方法?；驹硎抢梅忾]截面結(jié)構(gòu)內(nèi)壓作用下同時提高了板殼臨近失穩(wěn)彎矩并降低外力引入的彎矩的受力特征，提出在腔體內(nèi)部施加液體壓力，壓形過程中通過調(diào)整壓力大小，控制剖面最大彎矩小于臨界失穩(wěn)彎矩，消除起皺缺陷。并在軸線形狀不變狀態(tài)下，約束筋板側(cè)傾自由度，避免側(cè)翻缺陷。通過研究內(nèi)壓對臨界失穩(wěn)彎矩的影響機制，明晰筋板特征對成形極限的影響規(guī)律及不同曲率變化比下可成形的極限壁厚和極限筋高，給出回彈和壁厚分布規(guī)律，揭示變形協(xié)調(diào)性對回彈和壁厚分布的影響機理，并探討缺陷形成機制及控制方法，解決薄壁大徑厚比環(huán)筋構(gòu)件整體成形易發(fā)生起皺失穩(wěn)和筋板側(cè)翻的難題，為在新一代戰(zhàn)機上應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

研究薄壁管材內(nèi)外壓復(fù)合成形新方法及其成形機理。內(nèi)高壓成形時管材外壁為自由表面，沿環(huán)向受拉應(yīng)力，易產(chǎn)生環(huán)向開裂。內(nèi)外壓復(fù)合成形是在管材外側(cè)，即背向施加可控液壓，構(gòu)成管材外壁的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，可避免或延緩大截面差或低塑性材料管件脹形時開裂，因而提高管材的成形性。主要研究內(nèi)容：1 管材內(nèi)外壓成形時的失穩(wěn)行為和缺陷形成機制；2 管材內(nèi)外壓成形時應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)與塑性變形規(guī)律；3 管材內(nèi)外壓成形時內(nèi)壓與外壓關(guān)系對成形性的影響規(guī)律。通過該項目研究，揭示外壓對管材成形性影響規(guī)律，建立管材內(nèi)外壓復(fù)合成形理論，為大截面差與低塑性材料管件內(nèi)高壓成形提供一種現(xiàn)實的方法，開辟薄壁管材液壓成形新途徑。

本課題對薄壁管材內(nèi)外壓復(fù)合成形進行了研究。首先改造了內(nèi)高壓成形機控制系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)了內(nèi)壓與外壓按設(shè)定曲線精確加載。在原設(shè)備使用內(nèi)壓增壓器基礎(chǔ)上，增加了外壓增壓器。內(nèi)壓與外壓增壓器均采用比例閥進行壓力伺服控制，兩者可以按照設(shè)定路徑進行加載，壓力控制精度為±0.5MPa。 運用塑性理論分析了外壓作用下管坯的應(yīng)力狀態(tài)，由于施加了外壓，發(fā)生塑性屈服時的環(huán)向應(yīng)力降低，靜液壓應(yīng)力增加，施加外壓提高了管坯的極限應(yīng)變，因此隨外壓升高可以獲得更大的變形量。 攻克了薄壁管管坯外壓密封關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了管坯外壓的密封，最高外壓為200MPa。研制了管坯內(nèi)外液壓復(fù)合成形裝置，開展了圓截面管坯內(nèi)外液壓復(fù)合成形，重點分析了恒定外壓作用下管坯的極限膨脹率與壁厚分布，結(jié)果表明施加外壓可以提高管坯的極限膨脹率。由此可推斷出靜液壓應(yīng)力增大使材料抵抗裂紋萌生與擴展的能力增強，因而成形極限提高，實驗事實進一步說明內(nèi)外壓復(fù)合成形是解決難變形的低塑性材料提高成形極限的有效途徑。 開展了圓截面管坯在方形截面型腔中內(nèi)外液壓復(fù)合成形，考察了外壓對管坯圓角填充能力及成形性的影響；施加外壓后可以獲得更小的極限圓角半徑，其機理為降低了各向主應(yīng)力，提高了靜水壓應(yīng)力，數(shù)值模擬結(jié)果表明施加外壓對等效應(yīng)力及等效應(yīng)變沒有影響。 攻克了管坯分模面密封的關(guān)鍵技術(shù)，研制出可實現(xiàn)軸向進給的管坯內(nèi)外液壓實驗裝置，該裝置即可實現(xiàn)管坯同時內(nèi)壓、外壓、與軸向進給加載，又可實現(xiàn)模具的開閉，以便取出管坯。初步開展了管坯在內(nèi)壓、外壓與軸向進給聯(lián)合作用下的成形研究，外壓對三向應(yīng)力作用下管坯形成皺紋的形狀與位置均有影響。 通過本課題研究取得了以下研究成果，獲得國家科技進步二等獎1項，發(fā)表SCI論文4篇，參加國際學(xué)術(shù)會議并做分組報告2次，國內(nèi)學(xué)術(shù)會議2次，申報專利1項。此項實驗開創(chuàng)了三向應(yīng)力作用下的塑性變形時相關(guān)參數(shù)在可變可控條件下的研究，屬于原始性創(chuàng)新，學(xué)術(shù)意義重大，下一步的研究目標(biāo)是建立三向應(yīng)力作用下的管坯成形極限圖與三向應(yīng)力作用下屈服準(zhǔn)則的實驗研究。 2100433B

本項目針對開口超薄壁型鋼構(gòu)件彈塑性畸變屈曲機理及其設(shè)計理論中若干關(guān)鍵問題進行研究，主要包括開口超薄壁型鋼構(gòu)件彈塑性畸變屈曲機理及其分析理論、協(xié)調(diào)變形模式下考慮畸變屈曲和局部屈曲相關(guān)作用的一體化分析理論、畸變屈曲與局部屈曲相關(guān)作用分析理論、以及開口超薄壁型鋼構(gòu)件畸變屈曲臨界條件和有效控制措施。目前，項目已完成全部預(yù)訂研究計劃，部分工作開展了更為深入的研究。 首先，本項目完成了冷彎薄壁型鋼構(gòu)件軸壓（S350試件繞弱軸失穩(wěn)19個，繞強軸失穩(wěn)4個；LG550試件繞弱軸失穩(wěn)44個，繞強軸失穩(wěn)19個）和偏壓試驗（S280試件荷載偏向腹板11個，偏向卷邊10個，繞強軸失穩(wěn)37個；S350試件荷載偏向腹板19個，偏向卷邊7個，繞強軸失穩(wěn)7個；LG550試件荷載偏向腹板14個，偏向卷邊16個，繞強軸失穩(wěn)18個），揭示了冷彎薄壁型鋼開口截面構(gòu)件的失穩(wěn)破壞模式，為畸變屈曲受力性能分析提供了堅實的試驗基礎(chǔ)。 其次，本文基于能量法，提出局部屈曲和畸變屈曲相關(guān)屈曲的分析方法，得出了畸變屈曲彈性及彈塑性屈曲應(yīng)力的計算公式以及畸變屈曲半波長的計算公式，提出了不考慮腹板相關(guān)作用的邊緣加勁板件的屈曲穩(wěn)定系數(shù)，并分別考慮最大應(yīng)力作用于卷邊側(cè)和最大應(yīng)力作用于腹板側(cè)的情況。比較分析表明，該系數(shù)表達式具有很好的精度和適用性，且與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的處理方法相一致。同時，也可方便地對畸變屈曲和整體失穩(wěn)相關(guān)作用的承載力進行分析計算。在此基礎(chǔ)上，對于卷邊槽形截面構(gòu)件，采用有效寬度法，建立了同時考慮畸變屈曲、整體屈曲和局部屈曲的承載力統(tǒng)一計算方法。 最后，基于上述理論，對控制畸變屈曲發(fā)生的構(gòu)造措施及設(shè)計原則進行了試驗研究和理論分析，提出了不同基本構(gòu)件不發(fā)生畸變屈曲時對卷邊尺寸的要求限值，驗證了在構(gòu)件的卷邊間加設(shè)綴板以控制畸變屈曲發(fā)生的有效性及設(shè)計原則，對工程設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。 基于課題研究成果，已發(fā)表英文期刊論文1篇、錄用1篇；中文期刊論文3篇、錄用3篇。培養(yǎng)博士生1名、碩士生4名。研究成果為正在修編國家標(biāo)準(zhǔn)《冷彎型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50018）、國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程》（JGJ227-2011）及上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《輕型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ08-2089-2012）所采納。 2100433B