● 摘要
时效成形是一种针对大型飞机整体壁板零件制造而开发的成形工艺，它利用金属的蠕变特性将成形与时效同步进行，既完成了零件的成形又改善了零件的材料性能，迄今为止，时效成形技术在国外取得了显著的成果，已经成功应用于B-1B轰炸机和A380客机等大型飞机整体壁板的制造，然而在国内关于时效成形的研究尚处于起步阶段。因此，结合我国大飞机研制的科研背景来看，加快铝合金时效成形技术的研究具有十分重要的意义。本文以7B04-T7451铝合金为研究对象，借助金相、DSC和透射电镜等微观组织观察手段以及力学性能测试等方法，研究时效成形宏观力学变形与微观组织性能变化的影响规律，建立跨尺度的本构模型，搭建铝合金整体壁板时效成形有限元分析平台，为时效成形工艺实现工业化应用奠定坚实的技术基础。本文进行了7B04-T7451铝合金板料蠕变试验和力学性能试验，确定了该铝合金材料时效成形最佳成形温度150℃，并在该温度下进行了不同成形时间的蠕变试验，得到了恒定应力、时间对时效成形后材料屈服强度的影响规律。同时通过对蠕变试验件的显微组织观察，得到了恒定应力、时间对时效成形过程中析出相尺寸和分布的影响规律。基于析出动力学和时效强化理论，建立了时效成形过程中的析出相长大模型与析出强化模型，并在此基础上对Kowalewski的本构模型进行适当的简化和修正，建立了蠕变-时效跨尺度本构模型。同时，建立了以本构模型中材料参数为优化目标的优化函数，以150℃蠕变试验数据为参照，采用遗传算法对其进行拟合优化，得到了一组最优的材料常数，拟合结果精度较高，最高相对误差小于8%。通过合理的有限元单元类型的选择、接触与摩擦的定义以及材料本构模型与分析步的设置，成功地解决了有限元建模过程中的一些关键问题。同时，基于非线性有限元求解器ABAQUS/Standard，建立了等厚板时效成形有限元分析模型，通过多组试验验证了模型的准确性和可靠性，实现了本文提出的蠕变-时效跨尺度本构模型在有限元分析中的应用。采用有限元分析方法，利用经试验验证的有限元模型，分别以圆柱面模具和球面模具的等厚板时效成形为研究对象，研究了成形时间、板料厚度及宽长比等各项因素对成形后板料屈服强度及回弹的影响规律。研究发现，在相同成形时间内，随着板料厚度增加，屈服强度基本呈线性下降的趋势；而相同厚度的板料，随着成形时间延长，屈服强度先增加后减小，但是成形时间的影响力也随着其自身的增长而减弱，并且回弹率随板料宽长比的增大而降低。针对双曲率网格式高筋壁板时效成形过程进行了有限元模拟，分析了壁板预加载、时效成形过程的应力应变与屈服强度分布与变化规律。研究发现，壁板内的应力松弛作用主要发生在时效成形的初期，在时效成形的中后期壁板内的应力松弛作用比较缓慢。网格式高筋零件的最终形状主要是由筋条的变形情况决定的，并且主要变形发生在时效成形的初期。腹板由于材料的变形连续性而随同筋条的弯曲发生了弹性变形。成形过程的屈服强度随着时效时间的增加而非单调变化，经历了15个小时的时效成形，筋条顶端的屈服强度已经低于材料的原始状态，实际生产中可以从时效时间和预加载变形程度的控制予以解决。