薄壁钛管差温剪切弯曲起皱行为及成形极限研究

Tube shear bending process under differential temperature fields constraints(DTFCs) is an inovative technology integrating the advantages of shear bending technology and control technology of differential temperature fields acting on different tube zones. Thus, this technology enables the active control of bending deformation and microstructure evolution of tube parts of titanium alloys or the other hard deformation materials with very small bending radii(less than tube diameter). With both the decreases of tube bending radii and the increases of their lengths of straight line segments, wrinkling behaviors and forming limits in titanium alloy thin-walled tubes(TATTs) shear bending processes under DTFCs have become a key scientific problem. In this project, combining an experimental investigation,an analytical,with a numerical simulation,the characteristics of tube unequal deformation in TATTs shear bending processes under DTFCs are acquired; the reliable finite element model for the simulation of these processes and the energy model for the tube wrinkling predictions are established;the tube wrinkling characteristics and forming limits are revealed; the mechanisms of microstructures evolution for improving forming limits are revealed. These studies are important for the development of TATTs shear bending process under DTFCs,and they will also build the basis of the manufacture of tube parts with very small bending radii of hard deformation materials in aeronautic/aerospace industries.

管材差温剪切弯曲成形技术是一种新型弯管工艺，融合了剪切弯曲成形技术和管材不同区域差温控制技术的优势，能够实现钛合金等难变形材料极小弯曲半径(小于管材直径)弯管变形和微观组织的主动调控。随着管材弯曲半径的减小和传力区直线段长度的增加，薄壁钛管差温剪切弯曲过程的起皱行为和成形极限，是发展高性能极小弯曲半径薄壁钛管差温剪切弯曲成形技术的关键科学问题。本项目综合采用实验研究、理论解析以及数值仿真的方法，研究获得薄壁钛管差温剪切弯曲不均匀变形特点；研究建立可靠的薄壁钛管差温剪切弯曲过程模拟有限元模型和管材起皱能量预测模型；研究揭示薄壁钛管差温剪切弯曲起皱特性和成形极限；研究揭示薄壁钛管差温剪切弯曲成形极限提高的微观组织演变机制。本研究对于发展薄壁钛管差温剪切弯曲成形技术具有重要意义，并可为航空航天领域难变形材料极小弯曲半径管的成形制造提供指导。

薄壁钛管差温剪切弯曲过程的塑性起皱行为和成形极限，是发展高性能极小弯曲半径薄壁钛管差温剪切弯曲成形技术的关键科学问题。本项目综合采用实验研究、理论解析以及数值仿真的方法，对上述问题开展了系统深入的研究，主要研究内容和结果如下。.实验验证了极小弯曲半径薄壁钛管差温剪切弯曲成形原理。建立了可靠的TA2薄壁钛管差温剪切弯曲过程模拟三维弹塑性热力耦合有限元模型，获得了关键的有限元建模参数。将不同温度下薄壁钛管等温剪切测试、剪切测试过程模拟有限元模型、以及基于距离函数的响应面模型相结合，提出了薄壁钛管不同温度下剪应力本构参数逆向识别方法。采用该方法，识别了TA2薄壁钛管剪应力本构参数，发现，剪应力本构参数对温度的变化更敏感，温度越高，管材的强度系数和应变硬化指数将减小，应变速率敏感系数值呈现波动的趋势。.建立了考虑管材剪切弯曲变形特点的起皱波形函数。基于板壳理论和波形函数，建立了可靠的多模具约束管材剪切塑性起皱的能量预测模型，能够反映剪切变形区范围、材料参数、管材几何参数、弯曲加载方式以及管模摩擦系数对管材起皱能量的影响。发现，管材起皱敏感区范围与管材最大剪应力区一致，位于剪切变形区的上侧或双侧；随着管材直径的增加，管材的起皱敏感区和起皱可能性增加；工艺参数对管材起皱的影响越大。管材与定模和动模间的摩擦条件越接近，管材的起皱可能性越小，管材剪切变形区两侧的起皱可能性相同。内圆角半径越大，或外圆角半径越小，管材的起皱可能性越小。.基于薄壁钛管差温剪切弯曲过程模拟有限元模型，薄壁钛管剪切塑性起皱能量模型，以及响应面设计，提出了该过程多指标约束成形极限预测方法。发现，实验条件下的TA2薄壁钛管成形极限，即最大动模位移，取决于过度扁化或过度减薄。外圆角半径越小，弯曲模型腔半径和芯模直径的可行域范围越小，且成形极限越小。当外圆角半径为芯模直径的一半时，内圆角半径为4 mm-6 mm时，成形极限最大。弯曲模型腔半径的可行域对成形极限的影响较大。成形极限的最大值位于弯曲模型腔半径和芯模直径可行域的顶点处。加冷却气流能够抑制剪切区晶粒长大的趋势，提高材料的变形抗力，提高弯管成形极限。.上述研究结果对于发展薄壁钛管差温剪切弯曲成形技术具有重要意义，并可为航空航天领域难变形材料极小弯曲半径管的成形制造提供指导。