题目：柔性多点模具蒙皮拉形仿真建模及模面优化技术研究

蒙皮是飞机钣金零件的重要组成部分，拉伸成形工艺（拉形）是制造飞机蒙皮最主要的工艺方法。传统的蒙皮拉形工艺需要制造大量的拉形、切边和检验模具，存在蒙皮零件研制周期长、成本高和二次或多次修模等一系列问题。柔性多点模具蒙皮拉形技术的研究和应用，对发展拉形模具“以一代多”的成形模式，实现飞机蒙皮的数字化成形制造具有重要意义。本文面向柔性多点模具飞机蒙皮拉形工艺，采用数值仿真和试验的方法，对柔性多点模具蒙皮拉形仿真建模及模具型面优化技术进行了深入系统的研究。本文首先研究了柔性多点模具蒙皮拉形有限元模拟关键技术。基于Hill’48各向异性屈服准则建立了铝合金板料的弹塑性本构方程，基于Mooney-Rivlin模型建立了聚氨酯橡胶垫层的应变能模型，通过试验获得了Mooney-Rivlin模型参数；建立了以夹钳位移为边界条件的拉形加载模式，并对包覆成形和拉包成形两种轨迹进行了模拟对比分析，发现了包覆成形下零件的变形均匀性不如拉包成形，但在回弹控制上具有优势。本文针对柔性多点模具蒙皮拉形摩擦特性进行了研究。通过正交试验分析了润滑条件、法向压力、滑动速度及材料特性等因素对铝合金板料与垫层之间摩擦系数的影响。研究表明，影响摩擦系数的主要因素为润滑条件，其次为滑动速度和法向压力，而铝合金板料特性对摩擦系数的影响不是很明显；虽然液态机油和蓖麻油比聚四氟乙烯薄膜的润滑效果好，但考虑到后者具有可重复利用和更清洁的特点，本文在多点拉形工艺中将其作为润滑介质，铝合金板料与聚氨酯橡胶垫层间的摩擦系数约为0.07。 基于试验型柔性多点模具，开展了多点模具蒙皮拉形工艺试验研究。重点研究了聚氨酯橡胶垫层厚度对多点模具蒙皮拉形零件表面缺陷的抑制作用以及镜面铝合金板表面滑移带的影响因素。试验表明，普通铝合金板料多点拉形时，聚氨酯橡胶垫层的厚度≥25mm，可获得表面光顺的蒙皮零件，针对镜面铝合金板料多点拉形时，垫层的厚度需≥30mm，才能获得表面质量满意的零件；在镜面铝合金板料的拉形过程中，当应变速率小于1×10-3 s-1时，镜面铝合金不会出现PLC（Portevin-Le Chatelier）带，但拉形机的停顿（轨迹的中断）会造成零件表面出现明显的PLC带。针对采用真实离散钉模模型（简称离散模型）进行柔性多点模具蒙皮拉形数值仿真中单元数量巨大、计算耗时造成的仿真效率低的问题，从模面和垫层的简化描述入手，建立了柔性多点模具蒙皮拉形数值仿真的四种等效模型（连续模面无垫层、连续模面体单元平垫层、连续模面体单元包覆垫层和连续模面壳单元包覆垫层），通过对四种等效模型成形模拟结果（面内最大主应变、等效应力以及满载下板料外形）的比较分析表明，连续模面体单元平垫层等效模型的模拟结果更接近离散模型的模拟结果，且模拟的效率提高了4倍，因此，可用连续模面平垫层等效模型替代离散模型进行多点模具蒙皮拉形的有限元模拟，在保证模拟精度的前提下，显著提高了模拟效率。针对垫层的不均匀变形导致零件在垂直拉形方向出现的“鞍形畸变”问题，通过基于等效模型的数值分析表明，多点模拉形中在垂直拉形方向上，工艺补充面超过3倍钉头尺寸可有效消除“鞍形畸变”对零件有效区外形精度的影响。基于连续模面体单元平垫层的有限元等效模型，研究了材料参数、工艺参数以及几何参数对回弹和垫层变形的影响规律。随着板料屈模比、板料厚度、垫层厚度以及拉伸量的增大，垫层的变形增大，而随着垫层硬度、摩擦系数以及成形零件曲率半径的增大，垫层的变形呈现减小的趋势；通过对双曲形和马鞍形零件的成形模拟分析表明，沿拉形方向两者的回弹分布趋势较为一致，而在垂直拉形方向上，双曲形零件的边缘向外回弹，马鞍形零件却出现了向内回弹的现象。研究了柔性多点模具蒙皮拉形模面补偿技术。基于位移调整法，提出并建立了考虑回弹和垫层变形的模面补偿算法及优化流程，基于光滑模面无垫层模型，将理想零件与卸载回弹后零件间的法向误差反向调整到模面的每个节点上，进行回弹补偿，基于回弹补偿后的模面，采用连续模面平垫层等效模型，将满载下零件与回弹补偿模面间的法向误差调整到模具的每个节点，进行垫层补偿；利用仿真平台PAM-STAMP 2G的二次开发技术，开发了柔性多点模具蒙皮拉形有限元仿真与模面补偿工艺分析系统。通过对典型柱面件、双曲和马鞍形零件进行模面补偿的算例分析和试验验证，成形零件的外形误差可控制在±0.3mm内，从而验证了模面补偿算法的有效性。综合上述研究成果，结合某型号飞机蒙皮零件（1194×869×1.27mm）进行了大型柔性多点模具（台面尺寸为1824×1216mm）蒙皮拉形工程化验证试验。利用所开发的柔性多点模具蒙皮有限元仿真与模面补偿工艺分析系统进行了模面优化，通过2次补偿得到了优化的模具型面；验证试验表明，成形零件的外形误差在±0.5mm之内，满足零件成形精度要求，验证了本文建立的模面补偿算法和工艺分析系统的实用性和可靠性。