薄壁大径厚比环筋构件充液压形新方法及成形机理研究

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。 2100433B

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。

研究薄壁管材内外压复合成形新方法及其成形机理。内高压成形时管材外壁为自由表面，沿环向受拉应力，易产生环向开裂。内外压复合成形是在管材外侧，即背向施加可控液压，构成管材外壁的三向压应力状态，可避免或延缓大截面差或低塑性材料管件胀形时开裂，因而提高管材的成形性。主要研究内容：1 管材内外压成形时的失稳行为和缺陷形成机制；2 管材内外压成形时应力应变状态与塑性变形规律；3 管材内外压成形时内压与外压关系对成形性的影响规律。通过该项目研究，揭示外压对管材成形性影响规律，建立管材内外压复合成形理论，为大截面差与低塑性材料管件内高压成形提供一种现实的方法，开辟薄壁管材液压成形新途径。

本课题对薄壁管材内外压复合成形进行了研究。首先改造了内高压成形机控制系统与液压系统，实现了内压与外压按设定曲线精确加载。在原设备使用内压增压器基础上，增加了外压增压器。内压与外压增压器均采用比例阀进行压力伺服控制，两者可以按照设定路径进行加载，压力控制精度为±0.5MPa。 运用塑性理论分析了外压作用下管坯的应力状态，由于施加了外压，发生塑性屈服时的环向应力降低，静液压应力增加，施加外压提高了管坯的极限应变，因此随外压升高可以获得更大的变形量。 攻克了薄壁管管坯外压密封关键技术，实现了管坯外压的密封，最高外压为200MPa。研制了管坯内外液压复合成形装置，开展了圆截面管坯内外液压复合成形，重点分析了恒定外压作用下管坯的极限膨胀率与壁厚分布，结果表明施加外压可以提高管坯的极限膨胀率。由此可推断出静液压应力增大使材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力增强，因而成形极限提高，实验事实进一步说明内外压复合成形是解决难变形的低塑性材料提高成形极限的有效途径。 开展了圆截面管坯在方形截面型腔中内外液压复合成形，考察了外压对管坯圆角填充能力及成形性的影响；施加外压后可以获得更小的极限圆角半径，其机理为降低了各向主应力，提高了静水压应力，数值模拟结果表明施加外压对等效应力及等效应变没有影响。 攻克了管坯分模面密封的关键技术，研制出可实现轴向进给的管坯内外液压实验装置，该装置即可实现管坯同时内压、外压、与轴向进给加载，又可实现模具的开闭，以便取出管坯。初步开展了管坯在内压、外压与轴向进给联合作用下的成形研究，外压对三向应力作用下管坯形成皱纹的形状与位置均有影响。 通过本课题研究取得了以下研究成果，获得国家科技进步二等奖1项，发表SCI论文4篇，参加国际学术会议并做分组报告2次，国内学术会议2次，申报专利1项。此项实验开创了三向应力作用下的塑性变形时相关参数在可变可控条件下的研究，属于原始性创新，学术意义重大，下一步的研究目标是建立三向应力作用下的管坯成形极限图与三向应力作用下屈服准则的实验研究。 2100433B

本项目针对开口超薄壁型钢构件弹塑性畸变屈曲机理及其设计理论中若干关键问题进行研究，主要包括开口超薄壁型钢构件弹塑性畸变屈曲机理及其分析理论、协调变形模式下考虑畸变屈曲和局部屈曲相关作用的一体化分析理论、畸变屈曲与局部屈曲相关作用分析理论、以及开口超薄壁型钢构件畸变屈曲临界条件和有效控制措施。目前，项目已完成全部预订研究计划，部分工作开展了更为深入的研究。 首先，本项目完成了冷弯薄壁型钢构件轴压（S350试件绕弱轴失稳19个，绕强轴失稳4个；LG550试件绕弱轴失稳44个，绕强轴失稳19个）和偏压试验（S280试件荷载偏向腹板11个，偏向卷边10个，绕强轴失稳37个；S350试件荷载偏向腹板19个，偏向卷边7个，绕强轴失稳7个；LG550试件荷载偏向腹板14个，偏向卷边16个，绕强轴失稳18个），揭示了冷弯薄壁型钢开口截面构件的失稳破坏模式，为畸变屈曲受力性能分析提供了坚实的试验基础。 其次，本文基于能量法，提出局部屈曲和畸变屈曲相关屈曲的分析方法，得出了畸变屈曲弹性及弹塑性屈曲应力的计算公式以及畸变屈曲半波长的计算公式，提出了不考虑腹板相关作用的边缘加劲板件的屈曲稳定系数，并分别考虑最大应力作用于卷边侧和最大应力作用于腹板侧的情况。比较分析表明，该系数表达式具有很好的精度和适用性，且与现行国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》的处理方法相一致。同时，也可方便地对畸变屈曲和整体失稳相关作用的承载力进行分析计算。在此基础上，对于卷边槽形截面构件，采用有效宽度法，建立了同时考虑畸变屈曲、整体屈曲和局部屈曲的承载力统一计算方法。 最后，基于上述理论，对控制畸变屈曲发生的构造措施及设计原则进行了试验研究和理论分析，提出了不同基本构件不发生畸变屈曲时对卷边尺寸的要求限值，验证了在构件的卷边间加设缀板以控制畸变屈曲发生的有效性及设计原则，对工程设计具有重要指导意义。 基于课题研究成果，已发表英文期刊论文1篇、录用1篇；中文期刊论文3篇、录用3篇。培养博士生1名、硕士生4名。研究成果为正在修编国家标准《冷弯型钢结构技术规范》（GB50018）、国家行业标准《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（JGJ227-2011）及上海市地方标准《轻型钢结构技术规程》（DG/TJ08-2089-2012）所采纳。 2100433B