CN109918785B - 一种大型复杂薄壁钛合金构件热成形起皱预测及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型复杂薄壁钛合金构件热成形起皱预测及控制方法，属于金属板的基本无切削处理领域，本发明包括步骤一、建立钛合金薄壁构件热压成形起皱预测理论；步骤二、预测板料成形过程可能发生起皱的区域；步骤三、建立钣金零件热成形的有限元仿真模型；步骤四、确定起皱区域及起皱原因；步骤五、优化原始板料形状以及模具结构，再进行模拟仿真分析；步骤六、重复步骤三、四、五，待模拟仿真结果达到产品技术要求后，进行实际钣金零件热成形生产；步骤七、针对实际生产结果进一步优化，再次生产；利用本发明方法能够对大型复杂薄壁热成形钛合金构件起皱进行预测及控制，减少废品率，提高生产效率，降低生产成本。

Description

一种大型复杂薄壁钛合金构件热成形起皱预测及控制方法

技术领域

本发明属于金属板或管、棒或型材的基本无切削加工或处理领域，是一种金属板材热校形工艺，具体是一种大型复杂薄壁钛合金构件热成形起皱预测及控制方法。

背景技术

钛合金具有比强度高，耐高温，耐腐蚀等优异性能，因此被广泛应用于航空航天领域。但是，由于钛合金在常温状态下塑性差，变形抗力大，板材冷成形难；因此热压成形是用于制造钛合金钣金零件最常用的工艺方法，尤其能制造大型高精度，结构复杂的钣金零件。

然而，在钣金零件热压成形过程中，当材料在凸模作用下发生变形，部分材料发生径向补料，部分区域将受到径向的压应力，此时如果模具对板料的压力不能有效地抑制压应力引起的位移时，板料就会发生起皱。

虽然许多研究人员对起皱进行了分析并建立了起皱失稳力学模型，但是起皱的预测与控制依然是薄壁构件成形的一大难题，尤其是在钛合金板材热成形过程中，材料的强度受材料的应变速率和温度等因素显著影响，使得钛合金复杂薄壁件的起皱现象更难预测和控制。

发明内容

本发明公开了一种大型复杂薄壁钛合金构件热成形起皱预测及控制方法，本发明通过建立钛合金薄壁构件热压成形起皱预测理论，并基于该理论建立仿真模型，为前期的实际生产进行指导和优化提供依据，进而对大型复杂薄壁热成形钛合金构件起皱进行预测及控制，解决了现有技术中存在的问题。

本发明是这样实现的：

步骤一、建立钛合金薄壁构件热压成形起皱预测理论；

步骤二、获取材料力学参数，结合起皱预测理论获得毛坯板料发生起皱的临界屈曲应力函数，根据实际板料成形过程，预测板料成形过程可能发生起皱的区域；

步骤三、基于上述材料参数模型及板料模具数模，建立钣金零件热成形的有限元仿真模型；

步骤四、将理论预测区域与模拟成形后的钣金件的起皱区域进行对比，确定起皱区域及起皱原因；

步骤五、基于材料的转移特性，优化原始板料形状以及模具结构，再进行模拟仿真分析；

步骤六、重复步骤三、四、五，待模拟仿真结果达到产品技术要求后，进行实际钣金零件热成形生产；

步骤七、针对实际生产结果进一步优化原始板料形状以及模具结构，再次生产。

进一步，所述的步骤一具体为：

1.1，设定板材在一个方向上受到平面内的压缩应力，在另一个方向上受到平面内的拉伸应力和普通约束力作用下的压边力p，对于屈曲板材和完好板材，加载是通过单调且成比例增加的边界位移u_x进行的，拉伸方向应力σ_z与x方向上的压应力σ_x成比例，即σ_z/σ_x＝α，其中应力比α假设为常数；假定在忽略剪应力的情况下，即σ₃/σ₁＝σ_z/σ_x＝α，因此用主应力和应变来描述下面的应力状态；假设在张力的作用下，屈曲板和平板在第三个方向上有相同的应变增量Δε₃；

1.2，将材料建模为平面各向异性，各向异性以参数R表示，该参数为简单拉伸试验中薄板平面上的宽度塑性应变与厚度方向的塑性应变之比；等效应力和等效应变如下所示：

用斯威夫特公式来描述材料的应***化行为:

其中，K是材料强度系数，n是应***化指数，ε₀是预应变；

对于一个平板，在给定的边缘位移u_x/L下，相应的应变分量

可以表示为：

与没有横向张力的情况相比，即α＝0，我们可以得到应变增量Δε₃：

将公式带入得到平板的等效应变为：

其中

因此，在边缘压缩和横向张力作用下，平板上每单位宽度的应变能E₀可以表示为：

1.3，相应地，屈曲板材单位宽度的应变能E_w可以通过以下方式得到：

在给定的边缘位移u_x/L下，屈曲板材的变形形状可以假定为一个正弦波：

y＝δ(1+cos(mx))

其中m为对应模式下的频率；

基于材料不可压缩性和无厚度变化的假设，可以得到每单位宽度的体积为：

通过泰勒展开式的简化处理，我们可以得到模态形状为的投影幅值为：

1.4，采用简化积分的连续单元有限元分析，在没有横向张力的情况下，位移u_z认为是均匀的，因此相应的应变ε_z是恒定为零，在有张力作用下，假定屈曲板材和在平板上具有相同的应变增量Δε₃，对于弯曲板大变形，外应变ε_z、径向应变ε_r和周向应变ε_θ为：

ε_z＝Δε₃

ε_θ＝ln(r/r_u)

ε_r＝-Δε₃-ln(r/r_u)

通常认为Δε₃＜＜ε_θ，屈曲板材的等效应变可以简化为：

其中，

其中r是曲率半径，r_u是未拉伸表面的曲率半径；设r_i和r₀分别表示弯曲板内、外表面曲率的半径；同样，由体积的不变形，可以得到r_u为：

其中

r₀＝r_i+t

在无厚度变化的假设下，未拉伸板材与弯曲板的中表面重合；

1.5，利用变形理论，研究了在边缘压缩和横向拉伸作用下，每单位宽度的弯曲板的应变能E_w可以表示为：

通过泰勒展开式近似为：

/>

通过计算E₀，E_W和δ，可以得到临界屈曲应力为：

为了找到

分别与L₁、L₂的关系，建立以下关系式：

因此，我们可以定量地确定在转移边缘位移

下的临界屈曲应力为：

由此可见，起皱的临界应力取决于板料所受的压力、应力状态和材料的力学参数，即：

σ_cr＝f(p,α,n,K,R,ε₀)。

进一步，所述的步骤二具体为：

2.1，建立对应钛合金构件的硬化模型；

2.2，建立钛合金构件FLD应变成形极限破坏准则；

2.3，建立钛合金毛坯板料发生起皱的临界屈曲应力函数；

2.4，根据实际板料成形过程，预测板料成形过程可能发生起皱的区域以及改善板材起皱行为的方法。

进一步，所述的步骤四具体为：根据零件成形结果得出成形的失效形式；通过对比板料中心对称轴线变形后形态与理论零件数模中心线形状来评估发生皱曲的程度，再根据皱曲形态确定起皱区域及起皱原因。

进一步，所述的钛合金为大尺寸复杂TA32钛合金蒙皮件。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：本发明通过建立非均匀受力的薄板起皱失稳力学模型及其热压成形的起皱预测理论，并基于该理论建立仿真模型，为前期的实际生产进行指导和优化提供依据，进而对大型复杂薄壁热成形钛合金构件起皱进行预测及控制，利用本发明方法进行大尺寸钛合金钣金零件热成形工艺，能够对大型复杂薄壁热成形钛合金构件起皱进行预测及控制，减少废品率，提高生产效率，降低生产成本。

附图说明

图1为大型复杂薄壁热成形钛合金构件起皱预测及控制方法流程图；

图2为大尺寸复杂蒙皮零件外观数模；

图3为压边圈作用下板料受压示意图；

图4为弯曲板材示意图；

图5为大尺寸复杂蒙皮有限元模型；

图6为大尺寸蒙皮成形仿真结果；

图7为模具结构修改示意图；

图8为修改模具结构后成形仿真结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本方法针对大尺寸复杂TA32钛合金蒙皮件热成形，其零件外观数模如图2所示；

以下结合附图1-8详细说明大尺寸复杂钛合金蒙皮件起皱预测及控制方法，方法流程图如图1所示，步骤为：

步骤一、建立钛合金薄壁构件热压成形起皱预测理论；

步骤二、获取材料力学参数，结合起皱预测理论获得毛坯板料发生起皱的临界屈曲应力函数，根据实际板料成形过程，预测板料成形过程可能发生起皱的区域；

步骤三、基于材料力学参数模型及板料模具数模，建立钣金零件热成形的有限元仿真模型；

步骤四、将理论预测的可能发生起皱的区域与模拟成形后的钣金件的起皱区域进行对比，确定起皱区域及起皱原因；

步骤五、基于材料的转移特性，优化原始板料形状以及模具结构，再进行模拟仿真分析；

步骤六、重复步骤三、四、五，待模拟仿真结果达到产品技术要求后，进行实际钣金零件热成形生产；

步骤七、针对实际生产结果进一步优化原始板料形状以及模具结构，再次生产，具体如下所述。

在热压成形过程中，每个材料点上的起皱区域问题可以简化为对矩形板起皱的分析，如图3所示。板材在一个方向上受到平面内的压缩应力，在另一个方向上受到平面内的拉伸应力和普通约束力作用下的压边力p。对于图3中的屈曲板材和完好板材，加载是通过单调且成比例增加的边界位移u_x进行的，拉伸方向应力σ_z与x方向上的压应力成比例，即σ_z/σ_x＝α，其中应力比α假设为常数。假定在忽略剪应力的情况下，法向应力与主应力是一致的，即σ₃/σ₁＝σ_z/σx＝α，因此用主应力和应变来描述下面的应力状态。板材在横向张力的作用下在三个方向上都有不同程度伸长，这是由于这个方向上的边界约束产生的结果。假设在张力的作用下，屈曲板和平板在第三个方向上有相同的应变增量Δε₃。

将材料建模为平面各向异性，各向异性以参数R表示。该参数为简单拉伸试验中薄板平面上的宽度塑性应变与厚度方向的塑性应变之比。这里使用的是Hill’s 1948标准各向异性材料的二次屈服准则。等效应力和等效应变如下所示：

用斯威夫特公式来描述材料的应***化行为:

其中，K是材料强度系数，n是应***化指数，ε₀是预应变。

对于一个平板，在给定的边缘位移u_x/L下，相应的应变分量

可以表示为：

与没有横向张力的情况相比，即α＝0，我们可以得到应变增量Δε₃：

将公式带入得到平板的等效应变为

其中

因此，在边缘压缩和横向张力作用下，平板上每单位宽度的应变能E₀可以表示为

相应地，屈曲板材单位宽度的应变能E_w可以通过以下方式得到。在给定的边缘位移u_x/L下，屈曲板材的变形形状可以假定为一个正弦波：

y＝δ(1+cos(mx))

其中m为对应模式下的频率。

基于材料不可压缩性和无厚度变化的假设，可以得到每单位宽度的体积为：

通过泰勒展开式的简化处理，我们可以得到模态形状为的投影幅值为

采用简化积分的连续单元有限元分析，通过对应变和应力输出的观察，将剪切应力和应变忽略不计，而对屈曲板的平面内法向应力和应变忽略不计。这些简化使板材的屈曲问题成为一个纯粹的弯曲问题。在没有横向张力的情况下，位移u_z认为是均匀的，因此相应的应变ε_z是恒定为零。在有张力作用下，假定屈曲板材和在平板上具有相同的应变增量Δε₃。对于弯曲板大变形，外应变ε_z、径向应变ε_r和周向应变ε_θ为

ε_z＝Δε₃

ε_θ＝ln(r/r_u)

ε_r＝-Δε₃-ln(r/r_u)

通常认为Δε₃＜＜ε_θ，屈曲板材的等效应变可以简化为

其中，

其中r是曲率半径，r_u是未拉伸表面的曲率半径，弯曲板材如图4所示。设r_i和r₀分别表示弯曲板内、外表面曲率的半径。同样，由体积的不变形，可以得到r_u为

其中

r₀＝r_i+t

在无厚度变化的假设下，未拉伸板材与弯曲板的中表面重合。

利用变形理论，研究了在边缘压缩和横向拉伸作用下，每单位宽度的弯曲板的应变能E_w可以表示为

通过泰勒展开式近似为

通过计算E₀，E_w和δ，可以得到临界屈曲应力为

为了找到

分别与L₁、L₂的关系，建立以下关系式：

因此，我们可以定量地确定在转移边缘位移

下的临界屈曲应力为/>

由此可见，起皱的临界应力取决于板料所受的压力、应力状态和材料的力学参数，即：

σ_cr＝f(p,α,n,K,R,ε₀)

建立TA32钛合金的硬化模型，TA32的屈服函数表达式为：

其中已知：

A＝A(ε)

n＝n(ε)

α＝α(ε)

因此，在等温热成形中，对应变和应变速率求偏导得：

建立TA32钛合金FLD应变成形极限破坏准则：

ε_max＝-0.0001536ε_min ³+0.00658ε_min ²+0.1031ε_min+30.36

建立TA32钛合金毛坯板料发生起皱的临界屈曲应力函数；

定量地确定在转移边缘位移

下的临界屈曲应力为

其中TA32钛合金的在热成形温度下R约为0.8，应***化指数n值与温度、应变速率的关系式为：

由理论可知，较大的尺寸的薄壁型零件本身的临界屈曲应力较低，特别是在热成形工艺中，高温条件加剧了材料的软化，使得临界失稳屈曲应力进一步降低。而在成形过程中，板料四周并未进行任何约束，因此零件四周的材料不可避免地向中间流动，导致中心点附近容易形成压-压应力状态，加重皱曲程度。

针对大尺寸复杂TA32钛合金蒙皮件热成形，起皱理论预测结果表明，通过改变σ₃/σ₁＝σ_z/σ_x＝α和增大压力，即将中心区域压-压应力状态改变为压-拉应力状态，可以显著的改善板材的起皱行为，进而去除皱纹。

基于上述材料参数模型及板料模具数模，将上述材料参数本构模型编译成FORTRAN代码，并参照ABAQUS的VUHARD子程序接口的格式编写，即可用于ABAQUS的Explicit求解器当中；输入材料弹性模量、泊松比、FLC曲线模型、临界屈曲应力函数等；划分好网格，设置载荷及边界条件等完成变曲率异形薄壁钛合金蒙皮件热成形的有限元仿真模型的建立，有限元模型如图5所示；

该零件成形结果如图6中的(a)所示，由应力云图显示，该零件主要成形中没有明显的局部塑形变形，成形的失效形式主要为起皱失稳。通过对比板料中心对称轴线变形后形态与理论零件数模中心线形状来评估发生皱曲的程度，如图6中的(b)所示，表明皱曲形态主要起源于零件I、II区交界，而后均匀向变形较少的II区扩散分布，皱曲形态如同波浪状向右延展。由于I区最先接触到模具冲头迫使板材发生弯曲，弯曲中心将内侧材料往I、II区交界中心点推动，导致材料聚集在I、II区的交界点处，因此此处最先达到分叉点，容易发生起皱失稳。

根据起皱失稳理论，压-拉状态的临界应力是压-压状态的临界应力两倍，通过修改模具的方法约束边界条件能提高成形过程中板料的稳定性，从而减轻失稳的起皱的程度。因此通过修改模具结构可以改变板料在成形过程中各点的应力状态，从而减少成形过程的起皱程度。模具结构修改后方案示意图如图7所示。模具结构的修改主要在图中圆圈区域，改为下沉式模具结构，同时加大了毛坯的边界尺寸。修改模具结构后成形仿真结果如图8所示，由于成形过程板料边界处发生了折弯，导致边界附近的板料与模具发生相互摩擦，因此限制了材料向中心点流动。该修改措施等效于约束了板料边界，当中心点发生变形时，宽度方向的边界条件从自由移动改为位移约束。因此中心点附近临界失稳时的微元受力状态由压-压改为压-拉，成形后皱曲缺陷得到改善。总体而言，仿真结果表明改变边界条件能有效地抑制皱曲发生的程度。

初次成形结果，成形零件的中心区域发生了皱曲。初次成形工艺过程中零件四周材料不可避免地往中心发生流动，导致中心点附近容易形成压-压应力状态，加重了皱曲的程度。成形结果与仿真预测结果基本一致。结果也显示该起皱的纹路波峰较大，严重影响零件的外形精度。而经过工艺优化后，能抑制皱曲的程度，零件起皱区域变小，基本满足零件的使用要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种大型复杂薄壁钛合金构件热成形起皱预测及控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、建立钛合金薄壁构件热压成形起皱预测理论；所述的步骤一具体为：

1.1，设定板材在一个方向上受到平面内的压缩应力，在另一个方向上受到平面内的拉伸应力和普通约束力作用下的压边力p，对于屈曲板材和完好板材，加载是通过单调且成比例增加的边界位移u_x进行的，拉伸方向应力σ_z与x方向上的压应力σ_x成比例，即σ_z/σ_x＝α，其中应力比α为常数；在忽略剪应力的情况下，即σ₃/σ₁＝σ_z/σ_x＝α，因此用主应力和应变来描述下面的应力状态；在张力的作用下，屈曲板和平板在第三个方向上有相同的应变增量Δε₃；

1.2，将材料建模为平面各向异性，各向异性以参数R表示，该参数为简单拉伸试验中薄板平面上的宽度塑性应变与厚度方向的塑性应变之比；等效应力和等效应变如下所示：

用斯威夫特公式来描述材料的应***化行为:

其中，K是材料强度系数，n是应***化指数，ε₀是预应变；

对于一个平板，在给定的边缘位移u_x/L下，相应的应变分量

表示为：

与没有横向张力的情况相比，即α＝0，得到应变增量Δε₃：

将公式带入得到平板的等效应变为：

其中

因此，在边缘压缩和横向张力作用下，平板上每单位宽度的应变能E₀表示为：

/>

1.3，相应地，屈曲板材单位宽度的应变能E_w通过以下方式得到：

在给定的边缘位移u_x/L下，屈曲板材的变形形状为一个正弦波：

y＝δ(1+cos(mx))

其中m为对应模式下的频率；

基于材料不可压缩性和无厚度变化的情况，得到每单位宽度的体积为：

通过泰勒展开式的简化处理，得到模态形状为的投影幅值为：

1.4，采用简化积分的连续单元有限元分析，在没有横向张力的情况下，位移u_z认为是均匀的，因此相应的应变ε_z是恒定为零，在有张力作用下，屈曲板材和在平板上具有相同的应变增量Δε₃，对于弯曲板大变形，外应变ε_z、径向应变ε_r和周向应变ε_θ为：

ε_z＝Δε₃

ε_θ＝ln(r/r_u)

ε_r＝-Δε₃-ln(r/r_u)

Δε₃＜＜ε_θ，屈曲板材的等效应变简化为：

其中，

其中r是曲率半径，r_u是未拉伸表面的曲率半径；设r_i和r₀分别表示弯曲板内、外表面曲率的半径；同样，由体积的不变形，得到r_u为：

其中

r₀＝r_i+t

在无厚度变化的情况下，未拉伸板材与弯曲板的中表面重合；

1.5，利用变形理论，研究了在边缘压缩和横向拉伸作用下，每单位宽度的弯曲板的应变能E_w表示为：

通过泰勒展开式近似为：

通过计算E₀，E_w和δ，得到临界屈曲应力为：

为了找到

分别与L₁、L₂的关系，建立以下关系式：

因此，定量地确定在转移边缘位移

下的临界屈曲应力为：

由此可见，起皱的临界应力取决于板料所受的压力、应力状态和材料的力学参数，即：

σ_cr＝f(p，α，n，K，R，ε₀)；

步骤二、获取材料力学参数，结合起皱预测理论获得毛坯板料发生起皱的临界屈曲应力函数，根据实际板料成形过程，预测板料成形过程可能发生起皱的区域；

步骤三、基于材料力学参数模型及板料模具数模，建立钣金零件热成形的有限元仿真模型；

步骤四、将理论预测的可能发生起皱的区域与模拟成形后的钣金件的起皱区域进行对比，确定起皱区域及起皱原因；

步骤五、基于材料的转移特性，优化原始板料形状以及模具结构，再进行模拟仿真分析；

步骤六、重复步骤三、四、五，待模拟仿真结果达到产品技术要求后，进行实际钣金零件热成形生产；

步骤七、针对实际生产结果进一步优化原始板料形状以及模具结构，再次生产。

2.根据权利要求1所述的一种大型复杂薄壁钛合金构件热成形起皱预测及控制方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：

2.1，建立对应钛合金构件的硬化模型；

2.2建立钛合金构件FLD应变成形极限破坏准则；

2.3，建立钛合金毛坯板料发生起皱的临界屈曲应力函数；

2.4，根据实际板料成形过程，预测板料成形过程可能发生起皱的区域以及改善板材起皱行为的方法。

3.根据权利要求1所述的一种大型复杂薄壁钛合金构件热成形起皱预测及控制方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：根据零件成形结果得出成形的失效形式；通过对比板料中心对称轴线变形后形态与理论零件数模中心线形状来评估发生皱曲的程度，再根据皱曲形态确定起皱区域及起皱原因。

4.根据权利要求1所述的一种大型复杂薄壁钛合金构件热成形起皱预测及控制方法，其特征在于，所述的钛合金为大尺寸复杂TA32钛合金蒙皮件。

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