分区域软模调控下大型复杂薄壁件精密成形变形均匀性控制及其作用机制

Aiming at the problems of nonuniform deformation of the sheet metal, large differences in the stress state and interface friction condition in different parts of the plastic forming of large and complex thin-walled parts, which make it difficult to control the material flow, this paper presents a sheet metal precision forming method based on subregion flexible-die property control, which regulates the flexible-die property of MR fluid by designing magnetic field distribution to meet the demand of flexible-die performance in different deformation areas of sheet and control the deformation uniformity.Through the combination of the squeeze test, sheet/MR fluid friction test and numerical simulation, the constitutive relationship of MR fluid under different magnetic fields and the friction model considering chain structure direction are obtained, then numerical simulation method for forming process with subregion control of flexible-die property is developed. Based on the sheet metal bulging test, thin-walled conical part forming test and corresponding numerical simulation, the influence of the main process parameters on the macro-deformation behavior and the microstructure of the sheet metal were analyzed. The project reveals the material flow characteristics and coordination deformation mechanism under the control of subregion flexible-die property, reveals the law of wall thickness variation and defect formation mechanism, clarifies the mechanism of interface friction effect on material plastic flow and improves deformation uniformity control methods and theories under subregion flexible-die property control. The project study will lay a theoretical foundation and provide technical support for the flexible-die precision forming of complex thin-walled components.

针对大型复杂薄壁件塑性成形中变形不均匀剧烈、应力状态及界面摩擦差异性大、材料流动控制困难的问题，本项目提出基于分区域软模调控的板材精密成形方法，通过磁场分区设计精确调控磁流变液软模性能，从而满足板材不同变形区域对软模性能的需求，控制变形均匀性。通过挤压试验、板材/磁流变液界面摩擦试验与数值模拟相结合的方法，获得不同磁场条件下磁流变液的本构关系，建立考虑链状结构方向的摩擦模型，发展分区域软模调控下板材精密成形数值模拟方法。基于板材胀形试验、薄壁锥形件成形试验及相关数值模拟研究，分析主要工艺参数对板材宏观变形行为和微观组织特征的影响规律，研究分区域软模调控下材料流动特征及协调变形行为，揭示壁厚变化规律及缺陷形成机制，阐明界面摩擦效应对材料塑性流动的作用机理，完善分区域软模调控下变形均匀性控制方法和理论。项目研究将为大型复杂薄壁构件的软模精密成形奠定理论基础和提供技术支撑。

大型复杂薄壁件成形中变形不均匀剧烈、局部应力状态差异性大、材料流动控制困难是困扰其制造的突出难题。本项目提出基于分区域软模调控的板材精密成形方法，通过磁场分区设计精确调控磁流变液软模性能，建立了分区域软模调控下板材精密成形过程有限元分析模型，并实现了成形过程的精准模拟。通过实验与模拟相结合的方法获得了主要工艺参数对试件成形精度（胀形高度、应变、构型、壁厚减薄率）的影响规律，研究了中心主导和边缘主导磁场下材料流动特点及两个分区间协调变形行为，从板/液界面摩擦、磁流变液压力的角度阐明了分区域软模调控影响板材变形均匀性的作用机制。项目获得的主要进展包括：（1）提出了基于分区域软模调控的板材磁流板液软模成形新方法，采用铁芯与线圈的组合，通过实验测量和模拟相结合的方法，设计了两种分区域磁场方案，实现了分区域软模调控。（2）获得了不同磁场条件下磁流变液在三向应力状态下的本构关系曲线和板/液界面摩擦模型，并将其用于板材磁流变液软模成形有限元分析中，实现了分区域软模调控下精密成形过程模拟。（3）阐明了磁场条件对板材磁流变液软模成形中板材变形行为的影响机理。在磁场的作用下，磁流变效应直接引起的磁流变液本构关系的变化和板材/磁流变液界面摩擦条件是影响机理的两个核心因素，它们最终影响到板材的变形行为，包括成形过程中的载荷曲线、试件应力、应变和厚度分布。（4）通过实验与模拟结合研究了分区域磁场下板材变形行为，获得了分区域磁场对试件的应变、构型、壁厚减薄率及破裂位置的影响规律，解释了分区域软模调控影响板材变形均匀性的机理，揭示了分区域软模调控影响板材材料流动特征及缺陷形成的机制。研究成果在国内外重要学术期刊上发表论文9篇，其中SCI收录6篇，获授权发明专利3项，培养硕士生4人。项目研究为复杂薄壁构件软模精密成形中变形均匀性的主动调控提供了新的路径，为其进一步工程化应用奠定了理论基础和提供技术支撑。