板壳成形起皱失稳极限图建立及预测系统开发

Thin-walled components now have been widely praised because they processes the characteristics of integrate, lightweight and flexible. Wrinkling instability is the major barriers the thin-walled components facing in their preparation, which seriously impacts the shaping quality and die life of workpiece. Therefore, the wrinkling mechanism and its criterion become the research hotspots in plastic forming field. However, wrinkling is a complex physical process under the coupling action of multi-factors, so only the quantitative description and observation can be made to a specific wrinkling process, the criterion suitable for all forming conditions have not be obtained. Hereby, the project put forward the method with thin-walled tube necking forming as the research object to establish the wrinkling limit diagram. Utilize the characteristics that the stress and strain of the initial buckling zone can be solved, the wrinkle waveform is centro symmetric and the deformation patterns can be regulated easily, solving conditions are simplified and the nonlinear features can be reflected. Based on this, plate and shell nonlinear wrinkling instability theory model can be established. Via it to analyze the influence rule of the material characteristics and deformation patterns to the wrinkling limit diagram, and develop the wrinkling prediction system. The project is aim at obtaining the universal and reliable wrinkling prediction and analysis method, enriching the forming limit theory system, and providing the reference basis for the design and development of forming technology of thin shell parts.

薄壁构件具有功能集成化、轻量化和柔性化的特征，日益得到各行业的推崇。然而，起皱失稳是薄壳构件制备面临的主要障碍，严重影响零件的成形质量和模具寿命。因此，起皱机理和判定准则现已成为塑性成形领域的研究热点。起皱失稳是多因素耦合作用的非线性变形过程，现有的研究仅对特定成形条件下的起皱过程进行定量的描述，尚未形成适用于任意应力状态的起皱判定准则。据此，本项目提出采用薄壁管外压缩径的起皱失稳为研究对象建立理论起皱失稳极限图，利用其初始失稳点与变形可解特征点重合、失稳波形中轴对称、失稳区变形模式调控简便等特征，从而简化求解条件，体现非线性特征。基于此，建立板壳非线性起皱失稳理论模型，探讨材料性能和变形模式对起皱失稳的影响规律，开发板壳起皱失稳预测系统。本项目的研究以期形成可靠性好、实用性强的起皱失稳预测和分析手段，丰富板壳构件成形极限理论体系，为薄壁构件产品设计和成形工艺研发提供参考依据。

本课题最初计划基于管材颗粒介质外压缩径工艺理论、数值模拟和试验研究构造出薄壁件塑性成形过程中具有普遍适用价值的起皱失稳极限图（WLD）求解模型，完成薄壁件成形起皱失稳预测系统平台的搭建原理性筹备工作。在本模块研究过程中，建立了不同牌号铝合金材料的管材缩径起皱极限图；得到了材料参数对管材抗皱性的影响机制；解决了管外压缩径工艺中初始几何形状、厚度不均匀度等初始缺陷对起皱形貌的影响规律。.由于在缩径试验环节很难购置到不含各类初始缺陷的管坯，这为理论成形极限图建立的修正过程带来了阻碍。基于这种情况，申请人及时将基于管材的临界起皱极限图建立，转换为基于板材的某个典型工艺试验来实施。为了有效的辅助WLD的建立，首先得具备能够准确高效地模拟薄壁件塑性成形起皱失稳形貌的数值分析手段。为此，以YBT试验作为对比验证对象，利用大型平台软件ABAQUS从多方面考察确立了综合性能最佳的薄壁件成形起皱失稳数值模拟Buckle-dynamic预测算法。.由于有限元方法不包含起皱失稳判据，虽然利用引入初始缺陷等手段能够输出后屈曲形貌，但却无法界定确切的临界起皱时刻；且模拟结果会受到网格参数设置的影响发生波动。针对该问题，以YBT试验为验证实验，提出利用能量法理论与数值模拟相结合建立304不锈钢方板对角拉伸临界起皱判定线。探讨了不均匀拉伸载荷性质下的临界起皱判定线的形貌及特征，讨论了几何、边界条件对试件起皱失稳判定线的影响。通过全场应变测量系统VIC-3D拍摄的应变云图证实了所建立的起皱判定线的有效性。.不同于破裂失稳，能够引发起皱失稳的载荷类型形式多样，综上所述，YBT试验是不均匀拉伸载荷所引发起皱的典型代表性试验，且失稳形貌单一，不能完全反映出薄壁类零件在与模具接触时复杂边界条件下的失稳状况，基于此，设计了楔形件拉伸失稳试验工装，结合VIC-3D图像识别技术及数值模拟手段，对薄板在面内复杂受力状况和复杂边界条件下的起皱失稳极限进行了研究。此外，对锥形件拉伸侧壁起皱、筒形件拉伸法兰起皱、管材模内弯曲起皱、薄板面内弯曲成形和面内剪切成形过程中的起皱，也分别设计了试验方案，正在陆续开展研究。目前针对此内容的现有成果表明——起皱极限图WLD不同于破裂极限图FLD，是独立于载荷工况的。接下来的研究目标将致力于找到不同载荷工况下起皱极限的联系，建立完整起皱预测系统、起皱极限图WLD的数学解析模型建立方法。