双层管内压弯曲成形新方法与变形规律研究

为了提高可靠性，大型运载火箭和大飞机燃料压力输送系统需要无纵向焊缝的大直径整体弯管，这类整体弯管径厚比（直径与厚度之比）一般大于180。采用传统弯曲技术制造此类弯管时，出现起皱缺陷无法克服。为了解决传统技术制造这类大直径超薄弯管存在起皱的难题，本项目提出了双层管内压弯曲成形新方法。基本原理是在待弯曲的薄管（内层管）外侧包覆一个厚壁管（外层管），通过选择外层厚度降低双层管的径厚比，并在管端部通过内外层管的连接对内层引入附加拉应力，使内层管内侧轴向应力小于临界起皱应力，可消除内层管的起皱缺陷。通过对双层管内压弯曲成形规律深入系统的研究，建立轴向应力理论计算模型，揭示一次回弹、二次回弹、曲率变化和壁厚分布规律，给出弯曲过程应力状态及起皱行为，揭示界面切应力作用规律，解决超薄弯管（径厚比大于180）弯曲起皱难题，为在大型运载火箭上应用提供理论基础和技术支撑。

超薄弯管是大型运载器燃料压力输送管路系统的重要零件之一。传统制造工艺是先冲压成两个半管再焊接成整体管，存在两条纵向焊缝。由于环向应力为轴向应力的两倍，迫切需要采用无纵向焊缝的整体弯管以提高可靠性。超薄整体弯管径厚比一般大于180，而采用传统工艺如CNC弯曲、填料弯曲等难以成形径厚比超过100的弯管。为此，本项目提出了双层管内压弯曲成形新方法，利用外层管降低径厚比，同时，在内压作用下，通过管端自密封装置的推力形成对内层管坯的附加轴向拉应力，减小弯管内侧的轴向压应力，从而消除弯曲内侧的起皱缺陷。.本项目重点开展了双层管内压弯曲应力状态分析，内压弯曲过程起皱机制及影响因素，双层管内压弯曲回弹规律与曲率精度控制，双层管内压弯曲壁厚分布规律等方面的研究工作，取得了以下基础性及应用性研究成果：.（1）建立了受内压双层直管和弯管的应力分析模型，揭示了双层管内压弯曲过程的受力状态，推导出屈服内压的理论计算公式；建立了双层管充液弯曲弹塑性本构关系和有限元模型，解决了模拟中回弹及退火等关键技术问题。.（2）研制出施加内层轴向拉应力的管端自密封装置，在内压作用下，减小了弯管内侧的轴向压应力。.（3）揭示了双层管弯曲过程中内压、径厚比对内层起皱行为的影响规律及不同内压下内层管的起皱机制；阐明了内压和径厚比对双层管充液弯曲两次回弹和截面不圆度的影响规律，探明了外层管材料力学性能对回弹的影响规律。.（4）阐明了双层管充液弯曲具有独特的壁厚分布规律及机理：弯矩改变导致外侧轴向应力变化，从而使得与中心截面成一定夹角位置的壁厚减薄量超过中心点。.（5）研制出直径182mm、壁厚1mm（径厚比182）、相对弯曲半径为2的大直径不锈钢弯管及直径182mm、壁厚3mm（径厚比60）、相对弯曲半径为2的大直径铝合金弯管，并成功应用于CZ-5运载火箭；研究成果解决了大直径超薄弯管无法采用现有弯曲技术制造问题。