CN113976707B - 一种铝合金大曲率复杂壁板构件复合成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝合金大曲率复杂壁板构件复合成形方法，包括建立铝合金各向异性弹塑性本构模型，模拟试验优选出铝合金各向异性弹塑性本构模型，仿真模拟坯料弹塑性加载直至与模具型面贴合，建立弹塑性变形下蠕变时效宏微观全过程本构模型，模拟弹塑性加载‑蠕变时效‑卸载回弹复合成形全过程，计算构件形成偏差，并进行模具型面补偿至确定最终模具型面。试验采用最终模具型面，先将坯料弹塑性加载直至与模具型面贴合，再进行蠕变时效成形，最后卸载回弹获得目标构件，本发明充分利用弹塑性变形具有的大变形高效率成形特征，及其带来的有利于蠕变时效的初始组织和应力水平，为大曲率复杂壁板构件的形性一体化精确制造提供解决方案。

Description

一种铝合金大曲率复杂壁板构件复合成形方法

技术领域

本发明铝合金壁板成形方法技术领域，具体涉及一种铝合金大曲率复杂壁板构件复合成形方法。

背景技术

大型复杂壁板构件构件多以喷丸成形、滚弯成形、拉深成形等传统的塑性加工成形为主，其制造流程均是将加工成形和热处理成性分离，导致成形周期长、制造成本高，并且构件回弹难以准确预测控制、表面质量差、残余应力大，易产生成形缺陷影响产品形状尺寸精度和机械性能。

随着飞行器气动性能要求的不断提升，壁板构件形状趋于整体化、复杂化，比如翼身融合概念带来的整体复杂形状壁板要求，因此面对轻质铝锂合金新材料、结构的复杂化与整体化设计及精确形性制造的特殊要求，上述传统塑性成形技术已经不能完全满足空天高端装备零部件高精度形性制造的需求。为解决上述问题，出现了一种新的成形方法蠕变时效成形，它是在热力耦合能场作用下利用铝合金内应力和微观组织演化规律，将材料的蠕变变形和时效强化在同一制造环境中连续演变，达到成形成性一体化的先进的壁板成形技术，用于解决制造航空航天领域高强铝合金大型复杂壁板构件构件精确成形成性难题。

蠕变时效成形目前主要用于小曲率整体壁板构件成形，对于大曲率复杂大型整体壁板，主流制造技术路线采用拉深成形+人工校形，虽然产生大的弹塑性变形，但成形后的构件内部残余应力导致变形不可控，构件尺寸稳定性差，难以精确成形，且容易造成加工过程微结构损伤、弱化性能，存在一定的局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种铝合金大曲率复杂壁板构件复合成形方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种铝合金大曲率复杂壁板构件复合成形方法，其特征在于，包括以下步骤；

S1、进行不同取向试样力学性能测试和DIC应变测试，获得各向异性试验数据；

S2、建立铝合金各向异性弹塑性本构模型；

S3、模拟试验优选出铝合金各向异性弹塑性本构模型；

S4、仿真模拟坯料弹塑性加载直至与目标型面贴合，并根据弹塑性加载贴模后的应力应变状态，提取不同应力水平进行单轴蠕变时效成形试验，建立弹塑性变形下的蠕变时效全过程宏微观本构模型，进而进行弹塑性加载-蠕变时效-卸载回弹复合成形全过程模拟；

S5、计算构件形成偏差，并进行模具型面回弹补偿至确定最终模具型面；

S6、坯料弹塑性加载直至与模具型面贴合，再进行蠕变时效成形，最终卸载回弹获得目标构件。

进一步的，S1中不同取向试样力学性能测试包括单轴和双轴测试。

进一步的，S2中铝合金各向异性弹塑性本构模型建立是先切取与轧制方向成不同角度试样进行单向拉试验，等双拉试验，得到长度方向上的应变ε₁₁和宽度方向上的应变ε₂₂，其中每个方向进行三次重复试验以确保数据的准确性；

金属板料呈现的各向异性可以由各向异性系数值r值来进行表征其定义为：

其中ε₂₂试样厚度方向应变，

ε₃₃试验宽度方向应变，

根据体积不变原理：

通过以上试验和公式推导可获得不同方向的屈服强度σ₀、σ₄₅、σ₉₀，等双拉屈服强度σ_b，不同方向各向异性指数r₀、r₄₅、r₉₀及等双拉各向异性指数r_b，根据获得的试验数据建立Hill48屈服准则、Barlat89屈服准则和Yld2000-2D屈服准则。

进一步的，所述Hill48屈服准则，其表达式如下：

其中为等效应力，F、G、H、L、M、N为各向异性参数，1代表轧制方向，2代表垂直于轧制方向，3代表厚度方向；

当板料仅受平面应力且不受平面剪切时，则该屈服准则可简化为：

其中将试验获得的r₀，

r₄₅，r₉₀带入即可得到各向异性模型；

所述Barlat89屈服准则，其表达式如下：

当不考虑材料平面剪切应力时：

a，h，p为各向异性参数，可以通过r值计算，其中对于面心立方铝合金取m＝6，将试验获得的r₀，r₄₅，r₉₀带入即可得到Barlat89各向异性模型；

所述Yld2000-2D屈服准则，其表达式：

其中X1、X2为矩阵的主值。

L′、L″均是通过线性变化得到，具体转换方式如下：

进一步的，S3、模拟试验优选出铝合金各向异性弹塑性本构模型具体是将获得的铝合金各向异性弹塑性本构模型数值化，并对弹塑性加载贴模及回弹进行有限元模拟，同时进行试验研究，采用三维扫描仪对试验件进行扫描，并与模拟回弹后的数模比对，比较不同本构的预测精度，从而优选出最优的铝合金各向异性本构模型。

进一步的，在S4中仿真模拟坯料弹塑性加载直至与目标型面贴合，根据弹塑性加载贴模后的应力应变状态，提取不同应力水平进行单轴间断蠕变时效成形试验，建立弹塑性变形下的蠕变时效全过程宏微观本构模型，进而进行弹塑性加载-蠕变时效-卸载回弹复合成形全过程模拟具体是使用优选的弹塑性本构模拟弹塑性加载贴模，得到与目标型面贴模后，构件内部应力状态，根据应力状态进行不同应力下的单轴间断蠕变时效试验，获得力学性能、微观组织、蠕变变形演化三者的关联关系，基于蠕变力学、时效动力学及统一本构理论，建立弹塑性变形下铝合金蠕变时效全过程宏微观本构模型，进而模拟弹塑性加载-蠕变时效-卸载回弹复合成形全过程。

进一步的，S5中计算构件形成偏差是构件成形各节点弧长偏差，具体通过下式完成：

当Max(ΔL_i)≤ε_max，则确定最终模具型面；

否则进行模具型面节点等弧长补偿，具体为：加载后与模具贴合点为P_i(x_i,y_i)，在回弹仿真分析中，每隔相同时间步提取点P_i回弹过程所经过的点分别为P_i+1(x_i+1,y_i+1)、P_i+2(x_i+2,y_i+2)、P_i+3(x_i+3,y_i+3)；

点P_i+1、P_i+2、P_i+3所在型面为回弹瞬时型面，由P_i(x_i,y_i)、P_i+1(x_i+1,y_i+1)、P_i+2(x_i+2,y_i+2)、P_i+3(x_i+3,y_i+3)拟合成一个圆，圆的方程坐可表示为：

(x-a)²+(y-b)²＝R_i ²

圆心坐标O(a,b)，半径为R_i；

回弹开始点P_i与回弹结束点P_i+3之间的夹角θ_i可表示为：

则点P_i和P_i+3之间的弧长为；

依据等弧长补偿原理，P_i点回弹补偿后对应的点坐标为P_m(x_m,y_m)，则P_m与P_i之间的夹角为θ_i；

补偿后的点P_m坐标可通过以下方程获得：

(x_m-a)²+(y_m-b)²＝R_i ²

以此类推，可得到所有节点补偿后的坐标值，P_m、P_n(m,n＝1,2,3…)，将这些坐标点连线拟合获得所述成形模具型面。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明通过建立并优化铝合金各向异性弹塑性本构模型，再进行仿真模拟坯料弹塑性加载直至与目标型面贴合，计算构件形成偏差，并进行模具型面补偿至确定最终模具型面，然后将坯料弹塑性加载贴模后，放置到高温炉中，构件发生蠕变时效成形，一方面利用弹塑性变形具有的大变形高成形效率特征，以及其带来的有利于蠕变时效的初始组织和应力水平；另一方面，其成形过程是成形成性一体化结合了弹塑性变形和蠕变时效各自的优势，可充分利用弹塑性变形带来的有利于蠕变时效的初始组织和应力水平，最大程度发挥材料蠕变时效潜力，而且该技术不需要热压罐设备，降低了制造成本，具有成形成性一体化、生产周期短、形性易于预测控制等优点，为大曲率复杂壁板构件构件的形性一体化精确制造提供了可行且有效的解决方案。

附图说明

图1是本发明整方法步骤图；

图2是本发明型面补偿方法示意图；

图3是现有的滚弯预变形蠕变时效复合成形示意图；

图4是发明弹塑性变形/蠕变时效复合成形示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种技术方案：一种铝合金大曲率复杂壁板构件复合成形方法，其特征在于，包括以下步骤；

S1、进行不同取向试样力学性能测试和DIC应变测试，获得各向异性试验数据，不同取向试样力学性能测试包括单轴和双轴测试。

S2、建立铝合金各向异性弹塑性本构模型；

先切取与轧制方向成不同角度试样进行单向拉试验，等双拉试验，得到长度方向上的应变ε₁₁和宽度方向上的应变ε₂₂，其中每个方向进行三次重复试验以确保数据的准确性；

金属板料呈现的各向异性可以由各向异性系数值r值来进行表征其定义为：

其中ε₂₂试样厚度方向应变，

ε₃₃试验宽度方向应变，

根据体积不变原理：

通过以上试验和公式推导可获得不同方向的屈服强度σ₀、σ₄₅，σ₉₀等双拉屈服强度σ_b，不同方向各向异性指数r₀、r₄₅、r₉₀及等双拉各向异性指数r_b，根据获得的试验数据建立Hill48屈服准则、Barlat89屈服准则和Yld2000-2D屈服准则。

所述Hill48屈服准则，其表达式如下：

其中为等效应力，F、G、H、L、M、N为各向异性参数，1代表轧制方向，2代表垂直于轧制方向，3代表厚度方向；

当板料仅受平面应力且不受平面剪切时，则该屈服准则可简化为：

其中将试验获得的r₀，

r₄₅，r₉₀带入即可得到各向异性模型；

所述Barlat89屈服准则，其表达式如下：

当不考虑材料平面剪切应力时：

a，h，p为各向异性参数，可以通过r值计算，其中对于面心立方铝合金取m＝6，将试验获得的r₀，r₄₅，r₉₀带入即可得到Barlat89各向异性模型；

所述Yld2000-2D屈服准则，其表达式：

其中X1、X2为矩阵的主值。

L′、L″均是通过线性变化得到，具体转换方式如下：

S3、模拟试验优选出铝合金各向异性弹塑性本构模型；

具体是将获得的铝合金各向异性弹塑性本构模型数值化，并对弹塑性加载贴模及回弹进行有限元模拟，同时进行试验研究，采用三维扫描仪对试验件进行扫描，并与模拟回弹后的数模比对，比较不同本构的预测精度，从而优选出最优的铝合金各向异性本构模型。

S4、仿真模拟坯料弹塑性加载直至与目标型面贴合，进行不同弹塑性变形以及不同温度下单轴间断蠕变时效实验，在此应力范围内选取不同的应力βσ_max～σ_max，β由最小应力确定，σ_max最大应力；进行多种温度αT～T，α由临界蠕变温度决定，T为试验确定的最高时效温度。基于单轴蠕变时效试验，获得不同弹塑性变形和温度下铝合金蠕变变形行为；采用拉伸机获得不同弹塑性变形下铝合金蠕变时效过程中的宏观力学性能屈服强度演化规律；使用XRD/SEM/TEM等微观分析手段，对铝合金材料初始组织及弹塑性变形/蠕变时效复合成形过程中位错密度、沉淀相尺寸、数量、体积分数定量表征，获得复合成形工艺下蠕变时效微观组织演化规律，基于蠕变力学、时效动力学及统一本构理论，建立蠕变变形、力学性能变形和微观组织演变三者的联系，从而建立蠕变时效全过程宏微观本构建模，再设置合理边界条件进行蠕变时效成形弹塑性加载-蠕变时效-卸载回弹全过程模拟。

铝合金弹塑性变形/蠕变时效全过程模拟是按照实际工艺流程，建立铝合金大曲率复杂构件弹塑性变形/蠕变时效复合成形全过程有限元模型；数值化铝合金变温弹塑性变形蠕变时效宏微观本构模型，利用用户子程序将上述本构模型嵌入有限元软件，完成典型铝锂合金大曲率复杂构件弹塑性变形/蠕变时效复合成形全过程仿真，预测蠕变时效成形过程中合金蠕变变形、微观组织、力学性能和回弹演变规律；对铝锂合金典型大曲率构件进行弹塑性变形/蠕变时效成形实验，采用手持式三维扫描仪分析成形后的构件的型面，利用拉伸试验检测时效成形后的力学性能，与仿真结果对比，从而验证有限元弹塑性变形-蠕变时效复合成形仿真模型形性预测的准确性和可行性。

S5、计算构件形成偏差是构件成形各节点弧长偏差，如图2所示，具体通过下式完成：

当Max(ΔL_i)≤ε_max，则确定最终模具型面；

否则进行模具型面节点等弧长补偿，具体为：加载后与模具贴合点为P_i(x_i,y_i)，在回弹仿真分析中，每隔相同时间步提取点P_i回弹过程所经过的点分别为P_i+1(x_i+1,y_i+1)、P_i+2(x_i+2,y_i+2)、P_i+3(x_i+3,y_i+3)；

点P_i+1、P_i+2、P_i+3所在型面为回弹瞬时型面，由P_i(x_i,y_i)、P_i+1(x_i+1,y_i+1)、P_i+2(x_i+2,y_i+2)、P_i+3(x_i+3,y_i+3)拟合成一个圆，圆的方程坐可表示为：

(x-a)²+(y-b)²＝R_i ²

圆心坐标O(a,b)，半径为R_i；

回弹开始点P_i与回弹结束点P_i+3之间的夹角θ_i可表示为：

则点P_i和P_i+3之间的弧长为；

依据等弧长补偿原理，P_i点回弹补偿后对应的点坐标为P_m(x_m,y_m)，则P_m与P_i之间的夹角为θ_i；

补偿后的点P_m坐标可通过以下方程获得：

(x_m-a)²+(y_m-b)²＝R_i ²

以此类推，可得到所有节点补偿后的坐标值，P_m、P_n(m,n＝1,2,3…)，将这些坐标点连线拟合获得所述成形模具型面。

S6、坯料弹塑性加载直至与模具型面贴合，再进行蠕变时效成形完成，最后卸载回弹获得目标构件，具体如图4所示，

与图3中现有的滚弯预变形蠕变时效复合成形相比，本实施例中的弹塑性变形/蠕变时效复合成形在确定模具型面后，将初始坯料弹塑性加载贴模后，整个装置放置到高温炉中，构件发生蠕变时效成形，可充分利用弹塑性变形带来的大变形、高成形效率特征，及其带来的有利于蠕变时效的初始组织和应力水平，最大程度发挥材料蠕变时效潜力，而且该复合成形技术不需要极其昂贵的热压罐设备，降低了制造成本。

而且滚弯预变形目前只适合于单/双曲率壁板构件，因此该方法无法满足大曲率复杂壁板构件构件成性成形需求；滚弯预变形方法中滚弯与蠕变时效两种工艺之间需要移动工位，从而使蠕变时效加载贴模过程中存在构件的精确定位问题，尤其对于大曲率复杂壁板构件构件；

而复合工艺定位精确高，适合发大曲率复合构件蠕变时效成形，工艺稳定性好，还可以看出，所提出的弹塑性变形/蠕变时效复合成形技术利用了蠕变时效成形的工艺优势，同时结合了弹塑性变形具有的大变形特征，该工艺具有成形成性一体化、生产周期短、形性易于预测控制等优点，为大曲率复杂壁板构件构件的形性一体化精确制造提供了可行且有效的解决方案。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种铝合金大曲率复杂壁板构件复合成形方法，其特征在于，包括以下步骤；

S1、进行不同取向试样力学性能测试和DIC测试，获得各向异性试验数据；

S2、建立铝合金各向异性弹塑性本构模型，铝合金各向异性弹塑性本构模型建立是先切取与轧制方向成不同角度试样进行单向拉试验，等双拉试验，得到长度方向上的应变ε₁₁和宽度方向上的应变ε₂₂，其中每个方向进行三次重复试验以确保数据的准确性；

金属板料呈现的各向异性由各向异性系数值r值来进行表征其定义为：

其中ε₂₂试样厚度方向应变，

ε₃₃试验宽度方向应变，

根据体积不变原理：

ε₁₁+ε₂₂+ε₃₃＝0，

通过以上试验和公式推导可获得不同方向的屈服强度σ₀、σ₄₅、σ₉₀，等双拉屈服强度σ_b，不同方向各向异性指数r₀、r₄₅、r₉₀及等双拉各向异性指数r_b，根据获得的试验数据建立Hill48屈服准则、Barlat89屈服准则和Yld2000-2D屈服准则；

所述Hill48屈服准则，其表达式如下：

其中为等效应力，F、G、H、L、M、N为各向异性参数，1代表轧制方向，2代表垂直于轧制方向，3代表厚度方向；

当板料仅受平面应力且不受平面剪切时，则该屈服准则可简化为：

其中将试验获得的r₀，

r₄₅，r₉₀带入即可得到各向异性模型；

所述Barlat89屈服准则，其表达式如下：

当不考虑材料平面剪切应力时：

a，h，p为各向异性参数，通过r值计算，其中对于面心立方铝合金取m＝6，将试验获得的r₀，r₄₅，r₉₀带入即可得到Barlat89各向异性模型；

所述Yld2000-2D屈服准则，其表达式：

其中X1、X2为矩阵的主值；

L′、L″均是通过线性变化得到，具体转换方式如下：

S3、模拟试验优选出铝合金各向异性弹塑性本构模型；

S4、仿真模拟坯料弹塑性加载直至与目标型面贴合，根据弹塑性加载贴模后的应力应变状态，提取不同应力水平进行单轴间断蠕变时效成形试验，建立弹塑性变形下的蠕变时效全过程宏微观本构模型，进而进行弹塑性加载-蠕变时效-卸载回弹复合成形全过程模拟；

S5、计算构件形成偏差，并进行模具型面回弹补偿至确定最终模具型面；计算构件形成偏差是构件成形各节点弧长偏差，具体通过下式完成：

当Max(ΔL_i)≤ε_max，则确定最终模具型面；

否则进行模具型面节点等弧长补偿，具体为：加载后与模具贴合点为P_i(x_i,y_i)，在回弹仿真分析中，每隔相同时间步提取点P_i回弹过程所经过的点分别为P_i+1(x_i+1,y_i+1)、P_i+2(x_i+2,y_i+2)、P_i+3(x_i+3,y_i+3)；

点P_i+1、P_i+2、P_i+3所在型面为回弹瞬时型面，由P_i(x_i,y_i)、P_i+1(x_i+1,y_i+1)、P_i+2(x_i+2,y_i+2)、P_i+3(x_i+3,y_i+3)拟合成一个圆，圆的方程坐标可表示为：

(x-a)²+(y-b)²＝R_i ²

圆心坐标O(a,b)，半径为R_i；

回弹开始点P_i与回弹结束点P_i+3之间的夹角θ_i可表示为：

则点P_i和P_i+3之间的弧长为；

依据等弧长补偿原理，P_i点回弹补偿后对应的点坐标为P_m(x_m,y_m)，则P_m与P_i之间的夹角为θ_i；

补偿后的点P_m坐标可通过以下方程获得：

(x_m-a)²+(y_m-b)²＝R_i ²

以此类推，可得到所有节点补偿后的坐标值，P_m、P_n(m,n＝1,2,3…)，将这些坐标点连线拟合获得成形模具型面；

S6、坯料弹塑性加载直至与模具型面贴合，再进行蠕变时效成形，最后卸载回弹获得目标构件。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金大曲率复杂壁板构件复合成形方法，其特征在于，S1中不同取向试样力学性能测试包括单轴和双轴测试。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金大曲率复杂壁板构件复合成形方法，其特征在于，S3模拟试验优选出铝合金各向异性弹塑性本构模型具体是将获得的铝合金各向异性弹塑性本构模型数值化，并对弹塑性加载贴模及回弹进行有限元模拟，同时进行试验研究，采用三维扫描仪对试验件进行扫描，并与模拟回弹后的数模比对，比较不同本构模型预测精度，从而优选出最优的铝合金各向异性本构模型。

4.根据权利要求1所述的一种铝合金大曲率复杂壁板构件复合成形方法，其特征在于，在S4中仿真模拟坯料弹塑性加载直至与目标型面贴合，根据弹塑性加载贴模后的应力应变状态，提取不同应力水平进行单轴间断蠕变时效成形试验，建立弹塑性变形下的蠕变时效全过程宏微观本构模型，进而进行弹塑性加载-蠕变时效-卸载回弹复合成形全过程模拟具体是使用优选的弹塑性本构模拟弹塑性加载贴模，得到与目标型面贴模后，构件内部应力状态，根据应力状态进行单轴间断蠕变时效试验，获得力学性能、微观组织、蠕变变形演化三者的关联关系，基于蠕变力学、时效动力学及统一本构理论，建立弹塑性变形下铝合金蠕变时效全过程宏微观本构模型，进而模拟弹塑性加载-蠕变时效-卸载回弹复合成形全过程。