航空薄壁构件变形的数学预测模型构建及调控方法研究

To predict stress distribution mechanism and deformation trend of thin-walled components is important to deformation control of components, and also is one of the key scientific problems to research of aerospace thin-walled components. Based on research of restructuring mechanism and elastic superposition principle,this project proposes setting up a deformation prediction function inluding variables of initial stress field, milling stress and geometry, which can help to obtain the corresponding control means for deformation. Project regards thin-walled components of the high strength aluminum alloy as the research object. Firstly, based on traditional test methods, a test system is constructed by multidimensional point, line, surface and volume, which can describe stress distribution of component and efficiently obtain stress type and size. Secondly, according to the effect of deformation resulting from the stress distribution characteristics of thin-walled component, the mathematical relationship between deformation energy distribution and component is set up, which can obtain deformation, also can make the deformation of thin-walled parts minimum through parameter optimization. Finally, combined with metallographic analysis of dislocation and vibration experiments, VSR is applied to the component, and can help further studies on a new method to improve the dimensional stability of component. Research results have good theoretical and practical application value of prospective.

预知待加工薄壁构件的应力分布特征和变形趋势，对控制构件变形至关重要，是航空薄壁构件变形控制研究中需要解决的关键科学问题之一。本课题旨在研究厚板制备及其加工对构件应力分布的重构机理，揭示影响构件变形的应力分布特征。根据构件弹性变形特点，以初始应力、加工应力、截面形状为变元，构建薄壁构件应力-变形的数学关系，实现对构件变形的预测，并获得相应调控策略。项目以高强铝合金薄壁构件为研究对象，首先，在传统测试方法基础上，构建以点、线、面、体多维应力测试体系，有效获取构件应力分布特征。接着，根据构件加工前后应力能变化分布状况对其变形的影响，建立构件应力分布与变形的数学关系，实现对构件变形的预测，同时，亦可通过工艺参数优化，使薄壁构件的加工变形最小化。最后，为进一步降低构件变形，引入振动时效工艺，结合位错金相分析和振动实验，研究合适工艺参数对提高构件尺寸稳定性的作用。项目研究成果具有理论前瞻性与工程价值。

针对高强铝合金薄壁框架件受结构尺寸、应力分布和加工方法等因素影响出现的变形问题，课题就构件加工应力的分布、变形产生机制及其应力-变形控制方法开展研究，揭示表面应力对薄壁件变形影响的机制和控制策略。课题组围绕构件表面应力的形成机理、演变规律和表征方法、以及构件应力-变形解析关联和变形调控三个研究方向，取得五个方面的工作进展：第一，建立基于特定加工工艺状况下薄壁构件加工仿真模型，分析不同尺寸构件加工变形规律，以及表面应力对薄壁件变形的作用机制。研究认为表面应力在这类薄壁件变形控制中占主导地位，调控变形取决于对加工表面应力的调节。第二，基于实验-仿真研究，提出薄壁框架件应力-变形解析表达方法，并运用函数对薄壁件加工后的变形实施预测，偏差率小于10%，实现了已知工艺条件下薄壁件变形预判。在此基础上， 提出通过控制表面应力以实现对变形调控的基本策略，即差异化表面应力强度分布可以调控构件整体变形，实验最大调控幅度85%。第三，研究了喷丸强化对薄壁构件表面应力的影响，通过仿真和实验，较准确地掌握了喷丸强化工艺与材料表面特征的关系，构建了强化工艺-表面特征值预测函数，即在预期构件表面应力强度情况下，可遴选出一套合适的强化工艺，使表面应力可以实现精准控制。第四，结合喷丸和振动时效工艺，改善材料表面完整性，实现了削弱表面应力峰值强度30%，均化后应力波动幅度15%以下。研究发现喷丸后构件存在一定形状不稳定，在振动时效作用下，其表面应力适当削减和均化、表面微观硬度适度提高，有利于抑制薄壁件尺寸波动，提高其尺寸稳定性。第五，完善应力测试手段。在传统测试方法基础上，运用以X射线衍射应力分析为点、深孔法和逐层钻孔法为线、层削法为面、有限元仿真为体的多维应力测试体系，多维度有效描述构件应力分布特征，为薄壁构件应力变形函数和变形控制提供了技术保障。成果可用于铝合金薄壁框架类零件的应力和变形调控，具有理论与工程参考价值。