帶筋管充液壓形實(shí)驗(yàn)研究

初冠南，張坤，陳剛，李偉，丁名區(qū)，林才淵

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），山東威海 264209）

戰(zhàn)機(jī)技能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，迫切需要大量采用結(jié)構(gòu)效益十分顯著的大型整體復(fù)雜薄壁殼體［1］，薄壁帶筋筒形件是其中的典型代表［2—4］。其在減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)效率，改善結(jié)構(gòu)可靠性，提高機(jī)體壽命等方面，具有其他結(jié)構(gòu)無法比擬的作用［5—7］。然而，由于該類構(gòu)件的整體化、薄壁輕量化、形狀復(fù)雜化，成形比較困難。厚壁帶筋構(gòu)件的成形方法有噴射成形、等溫模鍛、熔模鑄造、反重力鑄造和強(qiáng)力旋壓等［8—10］。上述方法主要用于壁厚3 mm以上構(gòu)件的成形。對(duì)于帶環(huán)向加強(qiáng)筋的薄壁筒形件的加工，加工方法不多，目前主要采用分體成形組合焊接的方式，完成該類零件的成形加工，成形周期長(zhǎng)，精度難保證，特別是縱向焊縫的引入大大降低了疲勞壽命［11—12］，越來越不能滿足現(xiàn)代航空裝備的性能要求。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，文中提出用帶筋管充液壓形技術(shù)實(shí)現(xiàn)薄壁環(huán)筋構(gòu)件的整體成形，避免引入焊接工序和焊接熱變形，提高構(gòu)件可靠性和成形精度，降低工藝難度。

1 技術(shù)思想及研究方案

1.1 技術(shù)思想

帶筋管充液壓形的技術(shù)思想，是在封閉截面結(jié)構(gòu)內(nèi)壓作用下同時(shí)引入環(huán)向拉持力σθ1和反向彎矩M1的受力特征，提高臨界失穩(wěn)應(yīng)力，消除起皺失穩(wěn)缺陷，實(shí)現(xiàn)帶筋管的整體成形的力學(xué)條件。成形時(shí)，首先在腔體內(nèi)部充填液體介質(zhì)，液體壓力引入了環(huán)向拉持力σθ（如圖1所示）;與此同時(shí)，液體壓力還構(gòu)成了彎矩M1，其方向恰好與壓形引入的彎矩M2的方向相反，因此降低了合彎矩M。通過調(diào)整內(nèi)壓p，使環(huán)向應(yīng)力小于臨近失穩(wěn)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)帶筋管的整體成形。

圖1 帶筋管充液壓形原理示意圖Fig.1 Schematic of stiffen tube hydro-assisted forming

1.2 研究方案

文中主要通過實(shí)驗(yàn)探究帶筋管整體成形的可行性。帶筋管成形本質(zhì)上是坯料截面的曲率變化，由初始的圓形截面逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際所需的復(fù)雜截面形式，如圖2所示。共有3類變形模式:局部曲率半徑減小，如A1B1，A2B2，A3B3段;曲率半徑增大，如C1D1，C2D2段;圓弧展平后曲率又反向減小，如C3D3段。實(shí)際上第3類仍可歸為曲率半徑增大和減小，因此帶筋管整體成形的根本問題是曲率半徑改變?？紤]到圓截面成形為橢圓截面，同時(shí)包含了曲率半徑減小和增大，故選擇橢圓截面構(gòu)件作為實(shí)驗(yàn)試件，以此為基礎(chǔ)分析帶筋管整體成形可行性。

圖2 截面圓角變化示意圖Fig.2 Typical cross section shape of stiffen tube

帶筋管充液壓形時(shí)內(nèi)環(huán)自由度為全約束，為探討帶筋管整體成形的關(guān)鍵力學(xué)條件，根據(jù)實(shí)際筋板可能具有的約束情況，另外設(shè)計(jì)3組不同自由度約束工況實(shí)驗(yàn)，對(duì)比得到帶筋管整體成形的關(guān)鍵力學(xué)條件。具體實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表1 自由度約束情況Table 1 Experiment scheme

各實(shí)驗(yàn)方案的邊界條件如下。

1）帶筋管充液壓形。內(nèi)環(huán)的徑向、軸向和環(huán)向全約束。實(shí)現(xiàn)方法是，將筋板內(nèi)環(huán)焊接在管坯上，因?yàn)楣芘髅芊夤潭?，所以?nèi)環(huán)徑向、軸向和環(huán)向自由度為全約束。

2）空環(huán)壓形時(shí)，內(nèi)環(huán)具有徑向自由度，驗(yàn)證徑向自由度對(duì)筋板成形的影響。實(shí)現(xiàn)方法是直接采用圓環(huán)壓形，同時(shí)利用圖1所示的溝槽約束筋板軸向自由度。

3）徑向支撐充液壓形時(shí)，內(nèi)環(huán)具有軸向自由度，驗(yàn)證軸向自由度對(duì)成形的影響。實(shí)現(xiàn)方法是，筋板與筒體只組合在一起而不焊接，同時(shí)將圖1中溝槽間隙增至不影響筋板軸向移動(dòng)或變形。

4）扇環(huán)充液壓形時(shí)，內(nèi)環(huán)具有環(huán)向自由度，驗(yàn)證環(huán)向自由度對(duì)成形的影響。實(shí)現(xiàn)方法是取1/3圓環(huán)焊接在管坯上，環(huán)向上可自由伸縮變形。

坯料的制備方法:筒體直接選用無縫管，筋板則通過線切割從板材（壁厚與管材相同）上切割得到，然后將筒體和筋板釬焊在一起或套接在一起。各試件形狀如圖3所示。

圖3 初始坯料Fig.3 The initial shape of blank

實(shí)驗(yàn)材料為紫銅，其中管坯外徑D=85 mm、壁厚tT=2 mm，紫銅板壁厚tR=2 mm。為保證管坯和筋板材料力學(xué)性能一致，實(shí)驗(yàn)前對(duì)二者進(jìn)行完全退火處理。實(shí)驗(yàn)中腔體內(nèi)部液體壓力同為5 MPa。

實(shí)驗(yàn)中通過橢圓度λ定量描述變形程度（橢圓度是指橢圓的長(zhǎng)半軸與短半軸之比），同時(shí)結(jié)合筋高厚比h/tR（筋板高度h與壁厚tR之比）變化分析成形極限。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Parameters of stiffened tube

2 結(jié)果及討論

2.1 帶筋管充液壓形可行性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。當(dāng)筋板高厚比為3和4時(shí)，2種橢圓度實(shí)驗(yàn)件均順利成形。對(duì)于高厚比為5的試件，橢圓度λ=1.3時(shí)，能順利成形，橢圓度λ=2時(shí)，筋板起皺。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，帶筋管具有整體成形的可行性。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果照片F(xiàn)ig.4 Formed shape of stiffen tube

2.2 帶筋管整體成形的主要缺陷形式

帶筋管充液壓形實(shí)驗(yàn)共發(fā)現(xiàn)2類缺陷形式:筋板起皺和筋板側(cè)翻，結(jié)果如圖5所示。2類缺陷均發(fā)生在大變形程度（λ=2）和大筋高（h/tR=5）情況下。

圖5 缺陷形式（λ=2，h/tR=5）Fig.5 Typical defects

2.3 約束形式對(duì)筋板成形的影響

2.3.1 徑向自由度對(duì)成形的影響

徑向自由時(shí)，即使筋板高度降至6 mm，橢圓度僅為1.05時(shí)即發(fā)生嚴(yán)重的起皺和側(cè)翻，如圖6所示。說明徑向自由度對(duì)成形影響很大，導(dǎo)致起皺和側(cè)翻2類缺陷。

圖6 空環(huán)壓形Fig.6 Shape of deformed ring without supporting

2.3.2 軸向自由度對(duì)成形的影響

軸向自由時(shí)的變形情況如圖7所示。筋高h(yuǎn)/tR=3的筋板，壓形至λ=1.3時(shí)內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)，對(duì)比圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明約束軸向自由度對(duì)抑制側(cè)翻是有益的。

2.3.3 環(huán)向自由度對(duì)成形的影響

環(huán)向自由時(shí)的變形情況如圖8所示。在沒有環(huán)筋的環(huán)向拉力時(shí)，筋高h(yuǎn)/tR=3時(shí)即嚴(yán)重起皺。對(duì)比圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明環(huán)向拉力對(duì)抑制起皺是有益的。

圖7 徑向支撐充液壓形Fig.7 Shape of ring with radial and hoop supporting

圖8 扇環(huán)壓形實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.8 Shape of ring with axial and radial supporting

3 討論分析

從各邊界條件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，徑向自由度對(duì)成形效果影響最大?？窄h(huán)壓形時(shí)，即使筋板高度很低，變形量很小，仍同時(shí)發(fā)生起皺和側(cè)翻。約束徑向自由度后內(nèi)壓5 MPa時(shí)，可成形筋高為10 mm的帶筋管。模具溝槽可防止筋板側(cè)翻，環(huán)向力有助于消除起皺缺陷?？紤]到內(nèi)壓是影響環(huán)向力的主要因素，因此提高內(nèi)壓可進(jìn)一步提高成形極限，或成形壁厚更薄的構(gòu)件。

4 結(jié)論

1）消除內(nèi)環(huán)的徑向、軸向和環(huán)向自由度，并對(duì)環(huán)筋施加環(huán)向拉應(yīng)力，帶筋管可整體成形。

2）單自由度影響實(shí)驗(yàn)表明，徑向存在自由度易導(dǎo)致側(cè)翻和起皺缺陷，消除軸向自由度對(duì)抑制側(cè)翻是有益的，消除環(huán)向自由度有助于消除起皺缺陷。

3）選用紫銅管通過充液壓形，成功成形出了高徑比為5，徑厚比為42.5的帶筋橢圓管件。

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