超塑成形/擴(kuò)散連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

中航工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 黃 瑞

超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)可以使復(fù)雜薄壁零件整體化，在降低飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)完整性和承載效率方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1]。超塑成形/擴(kuò)散連接的整體結(jié)構(gòu)具有成形性好、設(shè)計(jì)自由度大、成形精確、無殘余應(yīng)力、零件數(shù)量少等優(yōu)點(diǎn)，在減輕飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本方面顯示了極大的優(yōu)越性[2-3]。

為充分利用SPF/DB技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，本文對(duì)SPF/DB結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了闡述，以期對(duì)SPF/DB結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)借鑒。

1 SPF/DB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

SPF/DB結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可按方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證改進(jìn)試驗(yàn)3個(gè)階段進(jìn)行，其設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

在方案設(shè)計(jì)階段，主要是對(duì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行分析，從而確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)與工藝進(jìn)行溝通并多輪反饋后，可最終確定可行的結(jié)構(gòu)方案。

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)及設(shè)計(jì)進(jìn)排氣道，形成結(jié)構(gòu)數(shù)模，進(jìn)行強(qiáng)度校核，強(qiáng)度滿足后，即可向工廠提交數(shù)模，并進(jìn)行試制件的生產(chǎn)。

為減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，在驗(yàn)證改進(jìn)試驗(yàn)階段，對(duì)已生產(chǎn)的試制件進(jìn)行靜力及壁厚估計(jì)試驗(yàn)，以驗(yàn)證在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段所選擇的結(jié)構(gòu)參數(shù)是否還有改進(jìn)的余地，如果有，可對(duì)板料的厚度進(jìn)行優(yōu)化，然后進(jìn)行強(qiáng)度校核，如果有可能，還可進(jìn)行結(jié)構(gòu)的裝機(jī)考核試驗(yàn)，從而確定最終可用于裝機(jī)的數(shù)模及裝機(jī)件。

2 SPF/DB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程

以某口蓋為例，按第1節(jié)中所述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，對(duì)SPF/DB結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程作詳細(xì)的闡述。

2.1 方案設(shè)計(jì)

該口蓋具有如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：大尺寸(2500mm×1600mm)，大曲率。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要考慮的設(shè)計(jì)難點(diǎn)有：原材料尺寸、零件分塊、零件脫模、工藝成形的實(shí)現(xiàn)。還需要考慮下面4方面的工藝因素：原材料的規(guī)格限制、設(shè)備能力的限制、單塊SPF/DB成形模具規(guī)模、零件脫模限制。

在分析考慮了上述難點(diǎn)及工藝因素后，形成了圖2所示的口蓋設(shè)計(jì)方案?？谏w縱向分為2塊，橫向分為2塊，并采用激光拼焊將口蓋拼接為整體。

2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

（1）確定結(jié)構(gòu)參數(shù) 。

口蓋為二層板結(jié)構(gòu)，板料厚度初步按外層蒙皮厚度1.0 mm，內(nèi)層加筋板厚度1.5 mm。加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)參數(shù)：筋條高H、筋條寬度W、起 筋角γ，如圖3所示。

假設(shè)起筋處變薄均勻，為保證加筋板的變薄量不大于40%，則有下式成立：

其中，

將式（2）代入式（1），可得：

圖1 SPF/DB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design flow of SPF/DB structure

圖2 SPF/DB口蓋設(shè)計(jì)方案Fig.2 Design proposal of SPF/DB cover

在確定了起筋角γ及筋條的寬度W后，即可根據(jù)式（3）大致確定筋條的高度H。

（2）進(jìn)排氣道設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)進(jìn)排氣道，是為了保證SPF/DB工藝的實(shí)現(xiàn)。圖4中，在口蓋邊緣的內(nèi)層板開一高約3mm,寬約6mm的進(jìn)排氣道。

（3）強(qiáng)度分析。

由于口蓋主要傳遞剪力，從圖5的有限元計(jì)算結(jié)果看腹板剪力變化不大，而7、8、17號(hào)板的臨界應(yīng)力較小，因此對(duì)這3個(gè)板校核其穩(wěn)定性。

7號(hào)板：

τ＝-49.9×1.5/2.5＝30MPa；M.S.＝88/30-1＝1.9；

8號(hào)板：

τ＝34.3×1.5/2.5＝20.58MPa；M.S.＝76/20.58-1＝2.6；

圖3 筋條參數(shù)計(jì)算示意圖Fig.3 Schematic diagram for parameter computation of stiffener

圖5 口蓋強(qiáng)度分析結(jié)果Fig.5 Strength analysis result of cover

17號(hào)板：

τ＝19.4×1.5/2.5＝11.64MPa； M.S.＝80/11.64-1＝5.9。

從計(jì)算結(jié)果可得出結(jié)論：口蓋穩(wěn)定性通過，口蓋滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 驗(yàn)證改進(jìn)試驗(yàn)

驗(yàn)證改進(jìn)試驗(yàn)的目標(biāo)是進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，主要的改進(jìn)參數(shù)是板料的厚度。

可通過下面2個(gè)試驗(yàn)來作為改進(jìn)設(shè)計(jì)的依據(jù)：靜力測(cè)試試驗(yàn)—對(duì)模擬件進(jìn)行面內(nèi)均勻剪切、均布?xì)鈩?dòng)載荷試驗(yàn)；壁厚估算試驗(yàn)—對(duì)試制件切取截面實(shí)測(cè)壁厚以及軟件模擬。

（1）靜力測(cè)試性試驗(yàn)。設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)M件，模擬件為2層平板件，內(nèi)層板為1.5mm，外層板為1mm，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行面內(nèi)均勻剪切、均布?xì)鈩?dòng)載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)件及試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可看出：試驗(yàn)件在面內(nèi)均勻剪切、均布?xì)鈩?dòng)載荷加大到遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)載荷時(shí)，試驗(yàn)件均未破壞，表明試驗(yàn)件具有較強(qiáng)的承載能力及抗失穩(wěn)能力，強(qiáng)度還有富余，板料厚度還有減薄的余地。

（2）壁厚估算試驗(yàn)。

根據(jù)口蓋上的典型截面形式，采用有限元分析的方法，模擬超塑成形后的厚度分布。采用MARC有限元軟件，對(duì)兩處典型截面區(qū)域進(jìn)行超塑成形過程模擬，原始板料厚度為1mm。由于是等溫超塑成形，因此忽略變形過程中的溫度變化。本模擬中，為剛塑性材料模型，對(duì)超塑成形材料的應(yīng)變硬化模型采用Backofen流變方程。由速度突變法得到m=0.63，計(jì)算TC4鈦合金的材料常數(shù)K值為1315.2MPa·S。

圖6 口蓋靜力試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Static test result of cover

從模擬結(jié)果可看出，若內(nèi)層加筋板原始板料厚度減為1.0mm時(shí)，超塑成形后的內(nèi)蒙皮壁厚應(yīng)不低于0.7mm。因此，口蓋內(nèi)層加筋板選用厚度為1.0mm的板料，其成形后的壁厚在可接受的范圍內(nèi)。

（3）改進(jìn)參數(shù)及強(qiáng)度分析。

根據(jù)上面的試驗(yàn)結(jié)果，選擇內(nèi)層加筋板料厚度為1.0mm，考慮到連接、承載以及防外部沖擊等要求，外蒙皮板料厚度仍為1.0mm。

經(jīng)過強(qiáng)度計(jì)算，改進(jìn)厚度后的口蓋滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)SPF/DB口蓋設(shè)計(jì)過程的闡述，針對(duì)SPF/DB結(jié)構(gòu)，建立了一套行之有效的飛機(jī)SPF/DB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程與方法，形成了一套工程適用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性試驗(yàn)方法,可為SPF/DB結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

[1] 李志強(qiáng)，郭和平.超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀.航空制造技術(shù)，2010(8)：32-33.

[2] 王哲.鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用.鈦工業(yè)進(jìn)展，1999(16)：23-25.

[3] 王向明.飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，2010.