● 摘要
作为重要的承力构件，高强度铝合金整体壁板已经在现代军、民用飞机中得到了应用。然而随着壁板零件几何形状、结构特征的日益复杂以及对成形质量要求的不断提高，压弯、喷丸等传统整体壁板成形工艺的应用受到限制。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。随着军、民用航空对大型高性能飞机日益迫切的需求，该成形工艺将在制造大型复杂整体壁板中发挥其独特优势。因此，开展铝合金整体壁板时效成形技术研究具有十分重要的意义。本文通过对7B04-T7451铝合金板料进行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工艺参数，建立了材料蠕变-时效本构模型，采用有限元仿真与实验研究相结合的方法，建立了一套整体壁板时效成形工艺有限元仿真、回弹预测及模具型面优化设计的方法。在140℃～160℃温度范围内、220MPa～340MPa应力下对7B04-T7451铝合金板料进行了20小时拉伸蠕变试验并对应力时效后的材料进行了力学性能试验。结果表明，升高温度、增大应力均能使材料在相等时间内产生更大的蠕变应变，但是最终材料的力学性能也随之降低。因此，7B04-T7451铝合金最佳时效成形温度为150℃，成形时间20小时以内，并确定了150℃下应力及时效时间对材料屈服强度的影响规律。同时，根据试验数据建立了时间硬化本构模型和蠕变-时效本构模型。基于ABAQUS/Standard开发了材料蠕变用户子程序，建立了时效成形有限元仿真平台。对时效成形有限元建模中的分析步设置、材料本构模型选择、单元类型选择及接触摩擦条件等关键技术进行了研究。有限元仿真与实验相结合，分析了时间硬化模型和蠕变-时效本构模型对等厚板单曲度弯曲-时效成形回弹的预测精度以及蠕变-时效本构模型对成形后各区域材料屈服强度变化情况的预测精度。结果表明，蠕变-时效本构模型具有更高的回弹预测精度，并能较好的预测出各部分材料在时效成形后屈服强度的变化趋势。应用基于蠕变-时效本构方程的有限元模型研究了时效成形力学机理，结合理论计算，证明了时效成形中的应力松弛现象是由材料发生蠕变而引发的。通过有限元仿真，研究了板料厚度、成形时间对等厚板柱面模具及球面模具时效成形回弹的影响规律，结果表明，回弹率随板料厚度的增大及成形时间的延长而减小，且成形时间的影响力随着其自身的延长而减弱。另外，当板厚及成形时间均相同时，板料宽长比对等厚板球面模具时效成形后的回弹亦有影响，回弹率随板料宽长比的增大而降低，且逐渐趋近于采用相同半径圆柱面模具成形后的回弹率。在时效成形有限元回弹预测基础上，结合偏差调节法，提出了成形误差计算及回弹补偿修模算法，并在ABAQUS/CAE前后处理平台上开发了一套时效成形回弹补偿修模系统，实现了成形模具型面的优化设计。应用该系统进行了圆柱面、球面和双曲马鞍形等厚零件以及网格式高筋壁板局部件、复杂高筋壁板局部件等算例的回弹补偿修模，证明了该系统具有收敛速度快、精度高的优点。研究了修模系数 对回弹补偿收敛速度的影响，适当增大修模系数将加快收敛速度，但当修模系数过大时将引发“过量修正”，造成收敛迭代次数增加。综合上述研究成果应用于飞机网格式高筋壁板模拟件时效成形技术研究，有限元仿真与实验研究相结合，零件型面各截面线形状的预测误差均控制在10%以内，平均误差小于8%，验证了回弹预测的准确性。将实测成形后壁板零件的形状作为设计形状，应用时效成形回弹补偿修模系统反求出所需的模面形状，与实际模具形状进行对比，曲面间最大间隙为0.54mm，吻合良好，证明了基于有限元回弹预测的时效成形模面优化设计技术的有效性及准确性。