帶筋管充液壓形實驗研究

初冠南，張坤，陳剛，李偉，丁名區，林才淵

（哈爾濱工業大學（威海），山東威海 264209）

戰機技能指標的實現，迫切需要大量采用結構效益十分顯著的大型整體復雜薄壁殼體［1］，薄壁帶筋筒形件是其中的典型代表［2—4］。其在減輕結構重量，提高結構效率，改善結構可靠性，提高機體壽命等方面，具有其他結構無法比擬的作用［5—7］。然而，由于該類構件的整體化、薄壁輕量化、形狀復雜化，成形比較困難。厚壁帶筋構件的成形方法有噴射成形、等溫模鍛、熔模鑄造、反重力鑄造和強力旋壓等［8—10］。上述方法主要用于壁厚3 mm以上構件的成形。對于帶環向加強筋的薄壁筒形件的加工，加工方法不多，目前主要采用分體成形組合焊接的方式，完成該類零件的成形加工，成形周期長，精度難保證，特別是縱向焊縫的引入大大降低了疲勞壽命［11—12］，越來越不能滿足現代航空裝備的性能要求。

針對上述現狀，文中提出用帶筋管充液壓形技術實現薄壁環筋構件的整體成形，避免引入焊接工序和焊接熱變形，提高構件可靠性和成形精度，降低工藝難度。

1 技術思想及研究方案

1.1 技術思想

帶筋管充液壓形的技術思想，是在封閉截面結構內壓作用下同時引入環向拉持力σθ1和反向彎矩M1的受力特征，提高臨界失穩應力，消除起皺失穩缺陷，實現帶筋管的整體成形的力學條件。成形時，首先在腔體內部充填液體介質，液體壓力引入了環向拉持力σθ（如圖1所示）;與此同時，液體壓力還構成了彎矩M1，其方向恰好與壓形引入的彎矩M2的方向相反，因此降低了合彎矩M。通過調整內壓p，使環向應力小于臨近失穩應力，實現帶筋管的整體成形。

圖1 帶筋管充液壓形原理示意圖Fig.1 Schematic of stiffen tube hydro-assisted forming

1.2 研究方案

文中主要通過實驗探究帶筋管整體成形的可行性。帶筋管成形本質上是坯料截面的曲率變化，由初始的圓形截面逐步轉變為實際所需的復雜截面形式，如圖2所示。共有3類變形模式:局部曲率半徑減小，如A1B1，A2B2，A3B3段;曲率半徑增大，如C1D1，C2D2段;圓弧展平后曲率又反向減小，如C3D3段。實際上第3類仍可歸為曲率半徑增大和減小，因此帶筋管整體成形的根本問題是曲率半徑改變?？紤]到圓截面成形為橢圓截面，同時包含了曲率半徑減小和增大，故選擇橢圓截面構件作為實驗試件，以此為基礎分析帶筋管整體成形可行性。

圖2 截面圓角變化示意圖Fig.2 Typical cross section shape of stiffen tube

帶筋管充液壓形時內環自由度為全約束，為探討帶筋管整體成形的關鍵力學條件，根據實際筋板可能具有的約束情況，另外設計3組不同自由度約束工況實驗，對比得到帶筋管整體成形的關鍵力學條件。具體實驗條件如表1所示。

表1 自由度約束情況Table 1 Experiment scheme

各實驗方案的邊界條件如下。

1）帶筋管充液壓形。內環的徑向、軸向和環向全約束。實現方法是，將筋板內環焊接在管坯上，因為管坯密封固定，所以內環徑向、軸向和環向自由度為全約束。

2）空環壓形時，內環具有徑向自由度，驗證徑向自由度對筋板成形的影響。實現方法是直接采用圓環壓形，同時利用圖1所示的溝槽約束筋板軸向自由度。

3）徑向支撐充液壓形時，內環具有軸向自由度，驗證軸向自由度對成形的影響。實現方法是，筋板與筒體只組合在一起而不焊接，同時將圖1中溝槽間隙增至不影響筋板軸向移動或變形。

4）扇環充液壓形時，內環具有環向自由度，驗證環向自由度對成形的影響。實現方法是取1/3圓環焊接在管坯上，環向上可自由伸縮變形。

坯料的制備方法:筒體直接選用無縫管，筋板則通過線切割從板材（壁厚與管材相同）上切割得到，然后將筒體和筋板釬焊在一起或套接在一起。各試件形狀如圖3所示。

圖3 初始坯料Fig.3 The initial shape of blank

實驗材料為紫銅，其中管坯外徑D=85 mm、壁厚tT=2 mm，紫銅板壁厚tR=2 mm。為保證管坯和筋板材料力學性能一致，實驗前對二者進行完全退火處理。實驗中腔體內部液體壓力同為5 MPa。

實驗中通過橢圓度λ定量描述變形程度（橢圓度是指橢圓的長半軸與短半軸之比），同時結合筋高厚比h/tR（筋板高度h與壁厚tR之比）變化分析成形極限。實驗參數如表2所示。

表2 實驗參數Table 2 Parameters of stiffened tube

2 結果及討論

2.1 帶筋管充液壓形可行性

實驗結果如圖4所示。當筋板高厚比為3和4時，2種橢圓度實驗件均順利成形。對于高厚比為5的試件，橢圓度λ=1.3時，能順利成形，橢圓度λ=2時，筋板起皺。上述實驗結果說明，帶筋管具有整體成形的可行性。

圖4 實驗結果照片Fig.4 Formed shape of stiffen tube

2.2 帶筋管整體成形的主要缺陷形式

帶筋管充液壓形實驗共發現2類缺陷形式:筋板起皺和筋板側翻，結果如圖5所示。2類缺陷均發生在大變形程度（λ=2）和大筋高（h/tR=5）情況下。

圖5 缺陷形式（λ=2，h/tR=5）Fig.5 Typical defects

2.3 約束形式對筋板成形的影響

2.3.1 徑向自由度對成形的影響

徑向自由時，即使筋板高度降至6 mm，橢圓度僅為1.05時即發生嚴重的起皺和側翻，如圖6所示。說明徑向自由度對成形影響很大，導致起皺和側翻2類缺陷。

圖6 空環壓形Fig.6 Shape of deformed ring without supporting

2.3.2 軸向自由度對成形的影響

軸向自由時的變形情況如圖7所示。筋高h/tR=3的筋板，壓形至λ=1.3時內側翻轉，對比圖4的實驗結果，說明約束軸向自由度對抑制側翻是有益的。

2.3.3 環向自由度對成形的影響

環向自由時的變形情況如圖8所示。在沒有環筋的環向拉力時，筋高h/tR=3時即嚴重起皺。對比圖4的實驗結果，說明環向拉力對抑制起皺是有益的。

圖7 徑向支撐充液壓形Fig.7 Shape of ring with radial and hoop supporting

圖8 扇環壓形實驗照片Fig.8 Shape of ring with axial and radial supporting

3 討論分析

從各邊界條件的實驗結果可以看出，徑向自由度對成形效果影響最大?？窄h壓形時，即使筋板高度很低，變形量很小，仍同時發生起皺和側翻。約束徑向自由度后內壓5 MPa時，可成形筋高為10 mm的帶筋管。模具溝槽可防止筋板側翻，環向力有助于消除起皺缺陷?？紤]到內壓是影響環向力的主要因素，因此提高內壓可進一步提高成形極限，或成形壁厚更薄的構件。

4 結論

1）消除內環的徑向、軸向和環向自由度，并對環筋施加環向拉應力，帶筋管可整體成形。

2）單自由度影響實驗表明，徑向存在自由度易導致側翻和起皺缺陷，消除軸向自由度對抑制側翻是有益的，消除環向自由度有助于消除起皺缺陷。

3）選用紫銅管通過充液壓形，成功成形出了高徑比為5，徑厚比為42.5的帶筋橢圓管件。

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