带筋管充液压形实验研究

初冠南，张坤，陈刚，李伟，丁名区，林才渊

（哈尔滨工业大学（威海），山东威海 264209）

战机技能指标的实现，迫切需要大量采用结构效益十分显著的大型整体复杂薄壁壳体［1］，薄壁带筋筒形件是其中的典型代表［2—4］。其在减轻结构重量，提高结构效率，改善结构可靠性，提高机体寿命等方面，具有其他结构无法比拟的作用［5—7］。然而，由于该类构件的整体化、薄壁轻量化、形状复杂化，成形比较困难。厚壁带筋构件的成形方法有喷射成形、等温模锻、熔模铸造、反重力铸造和强力旋压等［8—10］。上述方法主要用于壁厚3 mm以上构件的成形。对于带环向加强筋的薄壁筒形件的加工，加工方法不多，目前主要采用分体成形组合焊接的方式，完成该类零件的成形加工，成形周期长，精度难保证，特别是纵向焊缝的引入大大降低了疲劳寿命［11—12］，越来越不能满足现代航空装备的性能要求。

针对上述现状，文中提出用带筋管充液压形技术实现薄壁环筋构件的整体成形，避免引入焊接工序和焊接热变形，提高构件可靠性和成形精度，降低工艺难度。

1 技术思想及研究方案

1.1 技术思想

带筋管充液压形的技术思想，是在封闭截面结构内压作用下同时引入环向拉持力σθ1和反向弯矩M1的受力特征，提高临界失稳应力，消除起皱失稳缺陷，实现带筋管的整体成形的力学条件。成形时，首先在腔体内部充填液体介质，液体压力引入了环向拉持力σθ（如图1所示）;与此同时，液体压力还构成了弯矩M1，其方向恰好与压形引入的弯矩M2的方向相反，因此降低了合弯矩M。通过调整内压p，使环向应力小于临近失稳应力，实现带筋管的整体成形。

图1 带筋管充液压形原理示意图Fig.1 Schematic of stiffen tube hydro-assisted forming

1.2 研究方案

文中主要通过实验探究带筋管整体成形的可行性。带筋管成形本质上是坯料截面的曲率变化，由初始的圆形截面逐步转变为实际所需的复杂截面形式，如图2所示。共有3类变形模式:局部曲率半径减小，如A1B1，A2B2，A3B3段;曲率半径增大，如C1D1，C2D2段;圆弧展平后曲率又反向减小，如C3D3段。实际上第3类仍可归为曲率半径增大和减小，因此带筋管整体成形的根本问题是曲率半径改变。考虑到圆截面成形为椭圆截面，同时包含了曲率半径减小和增大，故选择椭圆截面构件作为实验试件，以此为基础分析带筋管整体成形可行性。

图2 截面圆角变化示意图Fig.2 Typical cross section shape of stiffen tube

带筋管充液压形时内环自由度为全约束，为探讨带筋管整体成形的关键力学条件，根据实际筋板可能具有的约束情况，另外设计3组不同自由度约束工况实验，对比得到带筋管整体成形的关键力学条件。具体实验条件如表1所示。

表1 自由度约束情况Table 1 Experiment scheme

各实验方案的边界条件如下。

1）带筋管充液压形。内环的径向、轴向和环向全约束。实现方法是，将筋板内环焊接在管坯上，因为管坯密封固定，所以内环径向、轴向和环向自由度为全约束。

2）空环压形时，内环具有径向自由度，验证径向自由度对筋板成形的影响。实现方法是直接采用圆环压形，同时利用图1所示的沟槽约束筋板轴向自由度。

3）径向支撑充液压形时，内环具有轴向自由度，验证轴向自由度对成形的影响。实现方法是，筋板与筒体只组合在一起而不焊接，同时将图1中沟槽间隙增至不影响筋板轴向移动或变形。

4）扇环充液压形时，内环具有环向自由度，验证环向自由度对成形的影响。实现方法是取1/3圆环焊接在管坯上，环向上可自由伸缩变形。

坯料的制备方法:筒体直接选用无缝管，筋板则通过线切割从板材（壁厚与管材相同）上切割得到，然后将筒体和筋板钎焊在一起或套接在一起。各试件形状如图3所示。

图3 初始坯料Fig.3 The initial shape of blank

实验材料为紫铜，其中管坯外径D=85 mm、壁厚tT=2 mm，紫铜板壁厚tR=2 mm。为保证管坯和筋板材料力学性能一致，实验前对二者进行完全退火处理。实验中腔体内部液体压力同为5 MPa。

实验中通过椭圆度λ定量描述变形程度（椭圆度是指椭圆的长半轴与短半轴之比），同时结合筋高厚比h/tR（筋板高度h与壁厚tR之比）变化分析成形极限。实验参数如表2所示。

表2 实验参数Table 2 Parameters of stiffened tube

2 结果及讨论

2.1 带筋管充液压形可行性

实验结果如图4所示。当筋板高厚比为3和4时，2种椭圆度实验件均顺利成形。对于高厚比为5的试件，椭圆度λ=1.3时，能顺利成形，椭圆度λ=2时，筋板起皱。上述实验结果说明，带筋管具有整体成形的可行性。

图4 实验结果照片Fig.4 Formed shape of stiffen tube

2.2 带筋管整体成形的主要缺陷形式

带筋管充液压形实验共发现2类缺陷形式:筋板起皱和筋板侧翻，结果如图5所示。2类缺陷均发生在大变形程度（λ=2）和大筋高（h/tR=5）情况下。

图5 缺陷形式（λ=2，h/tR=5）Fig.5 Typical defects

2.3 约束形式对筋板成形的影响

2.3.1 径向自由度对成形的影响

径向自由时，即使筋板高度降至6 mm，椭圆度仅为1.05时即发生严重的起皱和侧翻，如图6所示。说明径向自由度对成形影响很大，导致起皱和侧翻2类缺陷。

图6 空环压形Fig.6 Shape of deformed ring without supporting

2.3.2 轴向自由度对成形的影响

轴向自由时的变形情况如图7所示。筋高h/tR=3的筋板，压形至λ=1.3时内侧翻转，对比图4的实验结果，说明约束轴向自由度对抑制侧翻是有益的。

2.3.3 环向自由度对成形的影响

环向自由时的变形情况如图8所示。在没有环筋的环向拉力时，筋高h/tR=3时即严重起皱。对比图4的实验结果，说明环向拉力对抑制起皱是有益的。

图7 径向支撑充液压形Fig.7 Shape of ring with radial and hoop supporting

图8 扇环压形实验照片Fig.8 Shape of ring with axial and radial supporting

3 讨论分析

从各边界条件的实验结果可以看出，径向自由度对成形效果影响最大。空环压形时，即使筋板高度很低，变形量很小，仍同时发生起皱和侧翻。约束径向自由度后内压5 MPa时，可成形筋高为10 mm的带筋管。模具沟槽可防止筋板侧翻，环向力有助于消除起皱缺陷。考虑到内压是影响环向力的主要因素，因此提高内压可进一步提高成形极限，或成形壁厚更薄的构件。

4 结论

1）消除内环的径向、轴向和环向自由度，并对环筋施加环向拉应力，带筋管可整体成形。

2）单自由度影响实验表明，径向存在自由度易导致侧翻和起皱缺陷，消除轴向自由度对抑制侧翻是有益的，消除环向自由度有助于消除起皱缺陷。

3）选用紫铜管通过充液压形，成功成形出了高径比为5，径厚比为42.5的带筋椭圆管件。

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