● 摘要
新型飞机为了降低重量并保证机身强度的同时简化工艺，在飞机壁板设计上大量采用整体成形的复杂超塑壁板零件。对于这种结构，目前航空工厂越来越多地采用超塑成形工艺方法来成形。但由于超塑成形特殊的工艺和材料要求，存在成形温度高、加工效率低、变形机理复杂、零件尺寸和厚度精度难以控制等问题，限制了在实际中的应用。为了加速对超塑成形工艺的研究，目前越来越多地采用有限元仿真手段研究超塑成形工艺参数及可行性，有效降低超塑成形工艺试验成本，大大促进超塑成形工艺的向前发展。在本文中，通过试验和有限元分析方法，在以下几个方面进行系统的研究：
超塑成形材料性能研究。研究了具有超塑成形性能的材料的变形过程机理及超塑的本构模型，总结了两种超塑性能材料的应变速率敏感性的指数m的测定方法，为标定所用材料的超塑性能的好坏提供了依据。通过高温单向拉伸试验，得到了TC4钛合金板料在920℃温度下的材料参数，为后续的超塑成形仿真提供了材料参数。
超塑成形工艺仿真研究。在PAM-STAMP中建立了单层板深拉深零件、正反胀形零件和飞机尾段双层板超塑成形/扩散连接零件的超塑成形仿真模型。在正反胀形工艺仿真研究中，发现与普通气胀成形工艺相比，正反胀形工艺能够显著改善零件的壁厚分布均匀性，提高零件的质量。在双层板超塑成形/扩散连接仿真模型中，采用Gluing方法成功仿真了扩散连接效果。研究了ABAQUS中利用蠕变模型替代普通超塑成形本构模型的方法，并对一个典型胀形件进行了超塑成形全过程建模和仿真。
热膨胀研究。介绍了超塑成形模具的基本要求和使用规范，并给出了一个典型的超塑成形模具实例。对模具材料耐高温合金钢35Cr24Ni7SiNRe以及TC4钛合金进行热膨胀试验，得到了从室温到925℃的热膨胀系数。介绍了普通的热膨胀效应为基础的一般的超塑成形模具的简单的设计的方法。为解决超塑成形过程中模具与零件不均匀热膨胀导致的零件尺寸不精确的问题提出了一种基于有限元仿真的超塑成形模具设计方法并在一个典型的胀形件上应用了该方法。
超塑成形试验及仿真对比研究。根据仿真结果对单层板深拉深件和飞机尾段双层板零件进行了实际成形试验与分析。对比了试验与仿真结果并进行分析。从单层板深拉深件试验与仿真的对比发现，超塑成形零件贴模度高，外形准确；超塑成形条件下板料的成形性能大大提高，可以成形形变量大的零件；PAM-STAMP模拟得到的零件厚度分布与实际成形零件的厚度分布趋势完全一致，验证了单层板超塑成形有限元模型的准确性。从正反胀形工艺试验与仿真的对比发现，合理的正反胀形工艺可以显著改善零件的壁厚分布；PAM-STAMP虽然可以预测出零件壁厚的分布趋势，但在零件的圆角过渡区域的仿真结果不太理想。从双层板超塑成形/扩散连接试验与仿真的对比发现，采用Gluing方法模拟实际扩散连接效果是可行的；采用Backofen材料模型仿真得到的零件厚度分布结果很接近实际试验结果，最大误差为10.4%，同时也验证了双层板超塑成形/扩散连接仿真模型的准确性。