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

本发明专利技术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，本发明专利技术包括步骤一、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；利用本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于金属板或管、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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术是这样实现的：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ux进行的，拉伸方向应力σz与x方向上的压应力σx成比例，即σz/σx＝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＝σz/σx＝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变硬化行为:其中，K是材料强度系数，n是应变硬化指数，ε0是预应变；对于一个平板，在给定的边缘位移ux/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Ew可以通过以下方式得到：在给定的边缘位移ux/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uz认为是均匀的，因此相应的应变εz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εz、径向应变εr和周向应变εθ为：εz=△ε3εθ＝ln(r/ru)εr＝-Δε3-ln(r/ru)通常认为Δε3＜＜εθ，屈曲板材的等效应变可以简化为：其中，其中r是曲率半径，ru是未拉伸表面的曲率半径；设ri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ru为：其中r0＝ri+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Ew可以表示为：通过泰勒展开式近似为：通过计算E0，Ew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：σcr＝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。本专利技术与现有技术相比的有益效果在于：本专利技术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，利用本专利技术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专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本专利技术进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；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。

【技术特征摘要】
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；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ux进行的，拉伸方向应力σz与x方向上的压应力σx成比例，即σz/σx＝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＝σz/σx＝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变硬化行为:其中，K是材料强度系数，n是应变硬化指数，ε0是预应变；对于一个平板，在给定的边缘位移ux/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Ew可以通过以下方式得到：在给定的边缘位移ux/L下，屈曲板材的变形形状可以假定为一个正弦波：y＝δ(...

【专利技术属性】
技术研发人员：武永，吴迪鹏，陈明和，谢兰生，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32