層狀金屬?gòu)?fù)合板件等離子體弧柔性成形技術(shù)基礎(chǔ)研究

層狀金屬?gòu)?fù)合板件等離子體弧柔性成形技術(shù)基礎(chǔ)研究層狀金屬?gòu)?fù)合板材(例如不銹鋼/碳鋼復(fù)合板、鈦/不銹鋼復(fù)合板)是由兩種或者兩種以上性能不同的單組元金屬材料通過(guò)特殊工藝制備而成的。它兼具各組元材料的優(yōu)點(diǎn),可以在滿足使用要求的前提下,大大減輕設(shè)備重量,節(jié)約大量稀貴金屬,具有綜合性能好、價(jià)格相對(duì)低廉的特點(diǎn),在航空航天、船舶、汽車、石化等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。但是,相對(duì)于層狀金屬?gòu)?fù)合板材制備技術(shù)日益成熟而言,層狀金屬?gòu)?fù)合板件柔性成形技術(shù)匱乏成為制約復(fù)合板材廣泛應(yīng)用的重要原因。等離子體弧柔性成形是近年來(lái)出現(xiàn)的一種板殼類工件柔性成形新技術(shù),該技術(shù)在成形過(guò)程中不需要機(jī)械外力和工模具,依靠對(duì)板材不均勻加熱引起的內(nèi)應(yīng)力驅(qū)使板材產(chǎn)生彎曲成形,不受板材幾何尺寸限制,因而在大型板殼類工件的單件、小批量生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用前景和巨大的開(kāi)發(fā)潛力。本文在分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,提出了等離子體弧柔性成形層狀金屬?gòu)?fù)合板殼類工件的新構(gòu)想,針對(duì)成形過(guò)程中存在的實(shí)際問(wèn)題,采用理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法,對(duì)層狀金屬?gòu)?fù)合板件等離子體弧柔性成形機(jī)理、成形方向控制、成形規(guī)律、成形失效機(jī)制、能量控制等關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)了研究,在此基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)目標(biāo)曲面進(jìn)行路徑規(guī)劃,成形出了典型板殼類工件,并對(duì)成形件熱影響區(qū)材料的組織與性能進(jìn)行了研究。論文的主要研究工作如下：為定量描述等離子體弧作用下層狀金屬?gòu)?fù)合板件的傳熱規(guī)律和力學(xué)行為,基于等離子體理論和大變形彈塑性有限元理論,結(jié)合層狀金屬?gòu)?fù)合板材的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn),采用熱力間接耦合非線性有限元分析方法,分析了單元類型、材料特性、幾何模型與網(wǎng)格劃分、移動(dòng)熱源處理、時(shí)間步長(zhǎng)選取以及邊界條件加載等方面的問(wèn)題,建立了層狀金屬?gòu)?fù)合板件等離子體弧柔性成形的三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)與變形場(chǎng)有限元模型。在此基礎(chǔ)上,研究了層狀金屬?gòu)?fù)合板件成形過(guò)程中溫度場(chǎng)、變形場(chǎng)的變化規(guī)律。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)所建有限元模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。為掌握等離子體弧作用下層狀金屬?gòu)?fù)合板件的變形規(guī)律,在分析層狀金屬?gòu)?fù)合板件等離子體弧柔性成形的三種基本變形形式：正向彎曲、反向彎曲、鐓粗的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)復(fù)合板成形過(guò)程中溫度、應(yīng)力、位移變化的模擬,研究了復(fù)合板成形過(guò)程中的成形機(jī)理;通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值模擬,提出了控制復(fù)合板彎曲方向的判別系數(shù)E；研究了工藝參數(shù)、板材幾何尺寸、掃描次數(shù)對(duì)復(fù)合板彎曲角度的影響規(guī)律。為防止層狀金屬?gòu)?fù)合板件在等離子體弧柔性成形過(guò)程中出現(xiàn)界面分層、復(fù)層起皺、開(kāi)裂,導(dǎo)致成形失效,在綜合考慮層狀金屬?gòu)?fù)合板件界面結(jié)合狀況、缺陷特點(diǎn)的基礎(chǔ)上建立了含缺陷層狀金屬?gòu)?fù)合板件有限元模型,研究了缺陷對(duì)復(fù)合板溫度場(chǎng)、變形場(chǎng)的影響規(guī)律,為優(yōu)化工藝參數(shù),有效控制各組元的應(yīng)力、應(yīng)變行為提供了理論基礎(chǔ);通過(guò)彎曲實(shí)驗(yàn),探討了含缺陷層狀金屬?gòu)?fù)合板等離子體弧柔性成形的變形規(guī)律。研究表明,由于等離子體弧是在加熱狀態(tài)下累積成形的,每次板材彎曲角度較小,使得層間剪切應(yīng)力和剝離應(yīng)力遠(yuǎn)小于復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度,不會(huì)出現(xiàn)復(fù)層和基層開(kāi)裂、分層,但是缺陷的存在,會(huì)引起缺陷局部溫度陡升,導(dǎo)致板材局部熔化,影響成形件表面質(zhì)量,需要在成形中適當(dāng)控制等離子體弧的能量輸入。為靈活控制等離子體弧加熱區(qū)寬度,解決不同厚度比復(fù)合板的成形問(wèn)題,本文構(gòu)建了基于外加橫向交變磁場(chǎng)調(diào)節(jié)的等離子體弧柔性成形的能量控制裝置,通過(guò)理論分析磁場(chǎng)作用下等離子體弧的運(yùn)動(dòng)特性,建立了層狀金屬?gòu)?fù)合板件等離子體弧柔性成形能量控制模型,研究了有、無(wú)磁控、弧柱擺動(dòng)頻率、擺動(dòng)幅度對(duì)復(fù)合板溫度場(chǎng)、變形場(chǎng)的影響規(guī)律,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)所建的模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明,通過(guò)橫向交變磁場(chǎng),不但可以靈活控制加熱區(qū)的寬度,使加熱區(qū)內(nèi)的熱流密度分布均勻,而且可以使垂直于加熱線方向的塑性變形由“V”型分布轉(zhuǎn)變?yōu)椤癠”型分布,有利于成形圓弧類工件。根據(jù)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的研究規(guī)律,通過(guò)對(duì)目標(biāo)曲面進(jìn)行路徑規(guī)劃,對(duì)簡(jiǎn)單V形折彎件、正弦曲面、圓弧曲面、錐形面等典型零件進(jìn)行了成形實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步加深了對(duì)層狀