薄壁大径厚比环筋构件充液压形新方法及成形机理研究

In order to improve reliability and mobility, ultrathin injet without weld-seam is needed in new-typed aircrafts intake system. To form such component with conventional whole forming technology, wrinkling and bucking cannot be avoided. As for assembly forming technology, integrity cannot be achieved and geometrical precision does not reach the standard required. Aiming at solving the above problems, a new method of hydro-assisted forming is proposed. The core idea is to use the characters that bucking critical torques improves and bending moment decreases respectively after internal pressure applied for tubular structure. As a result, wrinkling defects can be avoided by adjusting internal pressure. In case axial shape maintains constant, bucking defect can be easily avoided by removing bucking torque. By investigation into the hydro-assisted forming, effects of internal pressure on bucking critical torques can be obtained, forming limit of thickness, stiffer height and curvature variation will be achieved and spring back and dimensional precision will be disclosed. By studying deformation compatibility and its effects on spring back and thickness distribution, defects forming mechanisms and control methods will be disclosed. The major problems of wrinkling and bucking will be solved for the ultrathin and complex-shaped part. The investigation will lay a theoretical foundation and supply a technical support for its application in new-typed aircrafts intake system.

为进一步提高可靠性和超常规机动能力，现代战机进气系统需要薄壁大径厚比整体进气道。传统整体成形技术制造此类构件时出现起皱失稳和筋板侧翻缺陷无法克服。为解决上述难题，实现该类大径厚比环筋构件的整体成形，本项目提出充液压形新方法。基本原理是利用封闭截面结构内压作用下同时提高了板壳临近失稳弯矩并降低外力引入的弯矩的受力特征，提出在腔体内部施加液体压力，压形过程中通过调整压力大小，控制剖面最大弯矩小于临界失稳弯矩，消除起皱缺陷。并在轴线形状不变状态下，约束筋板侧倾自由度，避免侧翻缺陷。通过研究内压对临界失稳弯矩的影响机制，明晰筋板特征对成形极限的影响规律及不同曲率变化比下可成形的极限壁厚和极限筋高，给出回弹和壁厚分布规律，揭示变形协调性对回弹和壁厚分布的影响机理，并探讨缺陷形成机制及控制方法，解决薄壁大径厚比环筋构件整体成形易发生起皱失稳和筋板侧翻的难题，为在新一代战机上应用提供理论基础和技术支持。

由于空空导弹技术的发展，迫使现代战机转变为更注重爬升率、最大瞬间盘旋角，发展过失速等超常规规避能力，特别是倍受各国军方青睐的无人机可完全抛开生理过载限制，最大限度的进行超常规机动。为进一步提高可靠性和超常规机动能力，现代战机进气系统需要薄壁大径厚比整体进气道。但传统整体成形技术制造此类构件时出现起皱失稳和筋板侧翻缺陷无法克服。针对上述实际需求，本项目提出了充液压形新方法，实现了该类大径厚比环筋构件的整体成形。基于弹塑性力学并结合数值仿真和实验，对带筋管压形塑性变形规律进行了研究，揭示了成形极限、回弹特征、典型缺陷类型及控制方法，并给出了用于指导实践的成形窗口图。.通过理论分析、数值模拟结合实验对带筋管的成形规律进行了研究，并对在成形过程中产生的缺陷和不足等进行力学分析。证实了带筋管应用充液压形技术整体成形的可行性。分析了带筋管在充液压形过程中的塑性变形机理，给出了成形极限。系统总结了带筋管充液压形的三种类型缺陷：筋板倾倒、筋板失稳起皱以及薄壁管（无筋处）塌陷。对带筋管在成形过程中产生的缺陷进行探讨分析。并最终给出了缺陷控制方法和成形窗口图。.以DP600高强钢管为坯料进行管材充液压形的回弹规律研究。首先，通过理论分析揭示了内压对管材充液压形回弹的影响机理并建立了预测数学模型。区别于传统板材成形，带筋管由于同时受筒体和筋板的耦合约束，当内压小于回弹临界内压时，回弹随着内压的增大而增大；当内压等于回弹临界内压时，回弹达到最大；其次，利用有限元模拟分析给出了内压、圆角半径、壁厚对回弹量、环向力和弯矩的影响规律，验证了理论分析的正确性，并给出了内压、圆角半径、壁厚对管材充液压形回弹变形轮廓的影响规律；最后，基于理论分析和有限元模拟结果设计实验进行实验研究，实验结果较好地吻合了理论分析和有限元模拟结果，为控制管材充液压形的回弹提供一定的参考。.除了上述结果外，通过本课题的研究，还进一步明晰了封闭结构内压对临界失稳弯矩的影响特征，并对此进行了模型化，从而获得了一种降低临界失稳应力进而实现加筋结构整体成形的新思路，可为其他复杂截面构件整体成形提供启发和帮助。