大型壁板激光喷丸成形技术研究与应用

激光喷丸成形技术利用激光诱导冲击效应在壁板表层引入非均匀分布塑性应变,塑性层厚度是传统机械喷丸的5~10倍,能够有效克服传统壁板成形技术的不足,实现大型高加筋复杂型面带筋壁板的形性一体化成形制造。对激光喷丸成形技术的进展,从激光喷丸成形机理与规律、复杂型面激光喷丸成形几何形状控制、大型带筋壁板激光喷丸成形系统几个方面进行了综述;回顾了激光喷丸成形的发展脉络,介绍了大型壁板激光喷丸成形技术研究与应用现状,并对近几年激光喷丸成形技术的发展与趋势进行了梳理;指出了实现大型整体壁板激光喷丸成形应用的核心是掌握变形机理,解决成形工艺规划问题,并研制适用于大型整体壁板成形的工艺装置。     

带筋整体壁板预应力喷丸成形数值模拟及变形预测

带筋整体壁板特别是高筋整体壁板具有优异的结构效率、减重效益和密封效果,在航空航天等领域备受青睐。预应力喷丸成形是大中型、长寿命、高性能复杂带筋整体壁板的一种不可多得的有效成形手段。数值模拟是促进带筋整体壁板预应力喷丸成形技术研究、进步与应用的一种极具潜力的途径。针对带筋整体壁板预应力喷丸成形数值模拟,建立了基于响应面函数的多弹丸撞击有限元模型、基于应变中性层内移的反弯曲应力场法模拟模型、预应力喷丸成形RBF神经网络预测模型,实现了喷丸成形应力场法数值模拟、预应力喷丸成形较高精度数值模拟与变形预测,为带筋整体壁板预应力喷丸成形技术研究和实际应用提供了一种更为便捷、高效、经济的途径。     

激光喷丸成形多尺度有限元模拟技术

激光喷丸技术是一种先进的金属塑性成形和表面强化技术,相比于弹丸喷丸,激光喷丸能量密度更大,因而成形能力更强,可以用于成形刚度更大的钣金件,如飞机整体壁板,在航空航天领域有广泛的应用前景。构建一种多尺度激光喷丸成形模拟方法,包括激光喷丸诱导应力场的计算方法和基于直接应力法的工件成形曲率的预测方法。预测结果通过2024–T351铝合金块状试件和典型截面单筋件激光喷丸试验得到了验证,试验结果与模拟结果吻合较好,表明此模拟方法有效可行。     

气动条带式喷丸成形技术

提出气动条带式喷丸成形方法成形大型复杂型面机翼壁板,根据壁板外形曲面曲率和厚度分布,采用"整体分条,单条分区"的方法对壁板进行条带式喷丸成形。通过基础试验确定了壁板喷丸工艺参数,利用特征优化映射方法获得了壁板板坯几何模型,采用预应力方法提高了条带喷丸成形变形量。上述技术均在ARJ21大型超临界机翼壁板上获得了工程应用。     

铝合金壁板筋条多点对压成形失稳及断裂研究

应用多点模具对压成形铝合金整体壁板是一种新技术,如何预测和避免筋条的失稳和断裂是该技术能否用于实际生产的关键问题之一。针对铝合金壁板筋条的多点弯曲过程,提出了失稳和断裂的判定方法,应用有限元模拟和多点压弯试验进行了对比分析。结果表明,失稳和断裂判定方法能够预测筋条产生失稳和断裂的位置和时刻。基于多点模具形状调整快的特点,采用分道次成形的方式研究了压弯半径对筋条断裂和失稳的影响规律,确定了单筋条多点压弯时的极限曲率半径。模拟了复杂结构整体壁板在变路径加载条件下的失稳和断裂情况,优化了加载路径。     

某型火箭整体壁板增量压弯成形试验

采用逐点增量弯曲的方法对某型火箭的网格式带筋整体壁板进行了试验研究,获得了正确的工艺路线和工艺参数,满足了壁板的外形检验要求。试验证明,增量压弯成形工艺是成形具有一定曲率外形的复杂结构整体壁板的合理而有效的方法。     

大型整体壁板成形技术

 大型整体壁板是现代先进民用飞机的重要结构件,大型整体壁板成形技术是整机研制过程中所必须要解决的重大关键技术。从大型整体壁板的结构特点出发,介绍了整体壁板的结构形式和分类,重点阐述了整体带筋壁板喷丸成形技术和时效成形技术的国外研究应用进展及发展趋势,分析了国内现有整体壁板成形技术的基础和存在问题,特别介绍了国内在ARJ21新支线飞机研制中所取得的最新进展。最后针对中国大飞机研制的紧迫需求,提出了尽快开展大飞机机翼和机身整体壁板成形技术研究的建议和对策。     

整体壁板压弯成形的形状控制

针对整体壁板压弯成形过程中由于回弹导致的压弯成形精度低和不可控问题，提出整体壁板压弯成形形状控制方法。以铝合金（7050-T7451）机翼整体壁板为研究对象，设计了整体壁板缩比试件模型，基于弹塑性变形理论和几何分析建立了压弯成形局部变形下压量解析预测模型，基于有限元法建立了压弯成形整体变形有限元仿真预测模型，并将模拟结果与实验结果进行了对比；在压弯成形局部-整体变形预测模型的基础上，综合考虑局部-整体变形精度，利用迭代补偿机制与逐步逼近思想，构建了压弯成形轮廓曲线迭代模型。通过与传统的试错法进行对比，研究结果表明所提方法能够以更高的精度、更快的收敛速度有效控制压弯件的成形形状。     

复合材料整体化加筋壁板高速冲击损伤数值模拟

 以复合材料结构抗弹性能分析与设计为目的,根据纤维的线弹性假设和基体的粘弹性假设,推导了复合材料单向板的粘弹性本构关系,导出了高应变率下复合材料层板的一阶剪切理论,建立了复合材料整体化加筋壁板高速冲击有限元分析模型.该模型引入界面单元模拟复合材料层间分层以及筋条与壁板间的脱粘损伤,结合Hashin失效准则进行筋条和单层板面内损伤识别,引入材料刚度退化,采用非线性有限元方法,研究了复合材料加筋结构高速冲击的破坏过程及损伤特性.数值分析结果与实验结果吻合良好,证明了该方法的合理有效性.探讨了筋条参数对高速冲击损伤的影响规律,获得了一些有价值的结论.     

窄条喷丸成形的数值模拟

 在分析窄条喷丸成形的变形特点基础上,提出了通过等效变形实现数值模拟的方法。由喷丸成形基本工艺参数试验,建立了壁板等效变形力与喷丸成形基本工艺参数之间的定量关系。利用上述定量关系,采用弹性薄壳有限元法模拟给定喷丸参数下的壁板外形。给出的算例验证了算法的正确性和有效性。     

大型机翼整体壁板系统化喷丸成形技术

大型机翼整体壁板是现代大型飞机重要的大型承力整体结构件并且通常直接构成飞机的气动外形。喷丸成形是现代大型轻质高强铝合金整体壁板件成形制造的首选技术方法，但如何实现大型机翼整体壁板的精确喷丸成形一直是现代航空制造技术领域的一个难点问题。针对这一工程问题，本文采用系统化的方法，将影响大型机翼整体壁板喷丸成形精度的因素分解为壁板平面板坯误差、成形参数设计准确度、成形参数控制精度、环境因素。针对这些因素，采用基于变形位能最小的板坯优化设计来减小由板坯导致的成形误差；采用数据拟合、人工神经网络以及解析模型计算相结合的喷丸成形参数综合设计方法来提高喷丸参数设计的精度和效率；建立了板坯修正模型以修正环境温度、喷丸设备参数波动等因素对成形件形状和尺寸的影响；对于从喷丸设备上下线后仍存在的外形贴模误差，则采用手提喷丸机进行局部的渐进式校形喷丸至外形贴模。壁板喷丸成形的工程实践表明，本文所提出的系统化方法能够有效提高大型机翼整体壁板喷丸成形的精度和效率，并可满足工业生产的需求。     

大型机翼整体壁板时效成形技术

 分析了单级时效、双/多级时效、振动时效以及应力位向效应等工艺措施和因素对铝合金机翼整体壁板材料时效成形特性的影响,得到以下结论：应采用双/多级时效处理,以提高成形后壁板材料的综合性能;应采用振动时效应力松弛,以加速应力松弛,降低回弹,并提高成形后壁板材料的抗疲劳性能;对时效过程中存在应力位向效应的铝合金,应设计合适的时间温度曲线与加载曲线,以避免壁板材料因应力位向效应产生各向异性,导致材料屈服强度降低。提出了大型机翼整体壁板时效成形的工艺流程,给出了成形过程中热压罐内的温度时间曲线和气压时间曲线;提出了成形工装的模块化、标准化与柔性化设计以及解决壁板时效成形回弹问题的有限元方法,并对中国研究发展大型机翼整体壁板时效成形技术提出了建议。     

大尺寸弹丸喷丸成形2024-T351铝合金表面质量研究

针对2024-T351铝合金进行直径3mm大弹丸喷丸成形及直径0.58mm小弹丸喷丸强化试验,观测试样在不同喷丸参数下的表面形貌,并对表层显微硬度及残余应力分布进行测试,为整体壁板喷丸成形的工艺设计提供重要依据。     

整体壁板时效成形的回弹预测及模面补偿技术

时效成形是一种用于制造飞机整体壁板零件的成形工艺。由于其具有回弹量大的特点,需要开发一种准确预测成形后回弹量的方法,并在此基础上对模具型面进行补偿,以消除回弹对成形精度的影响。本文将有限元法应用于网格式高筋壁板时效成形及回弹的分析,并通过实验验证了有限元预测回弹量的准确性。提出了一种基于有限元回弹预测的适用于铝合金时效成形的模具型面补偿算法,并应用该算法进行了复杂高筋整体壁板局部件时效成形的修模计算分析。通过9次迭代计算,零件成形误差减小到0.4 mm以内,证明了该算法具有收敛速度快、精度高的优点。     

Blank Panel Design of Integral Wing Skin Panels Based on Feature Mapping Methods

A blank panel design algorithm based on feature mapping methods for integral wing skin panels with supercritical airfoil surface is presented.The model of a wing panel is decomposed into features,and features of the panel are decomposed into information of location,direction,dimension and Boolean types.Features are mapped into the plane through optimal surface development algorithm.The plane panel is modeled by rebuilding the mapped features.Blanks of shot-peen forming panels are designed to identify the effectiveness of the methods.     

Dependence on forming parameters of an integral panel during the electromagnetic incremental forming process

Nowadays, more and more attentions are paid to electromagnetic incremental forming(EMIF), especially for a part with a large-scale size, e.g., an integral panel with stiffened ribs. In this work, the bending of a panel into a double-curvature profile via EMIF is carried out experimentally and evaluated by comparing the formed profile with the desired profile. During the process,discharges at four positions along different discharge paths are designed. The effects of forming parameters on the die-fittingness of the workpiece are discussed, for which two evaluation indices are used to judge forming results. The results show that a discharge voltage in an incremental mode is helpful to improve the fittingness and avoid the collision rebound against the die at the same time.Discharging at the diagonal positions with the ‘‘X" discharge path exhibits the minimal shape deviation and the best forming uniformity. On the contrary, discharging at the parallel positions with the ‘‘Z" discharge path obtains the worst forming quality. Overlap of the coil at different positions should be given during EMIF; however, a lower overlap rate of the coil helps improve the forming quality. The results obtained in this work are useful for forming integral panels with stiffened ribs via the EMIF process.     

金属梯度多孔夹芯板振动特性分析

金属梯度多孔材料芯层的胞孔壁厚度及半径沿芯层厚度方向逐渐变化,使得芯层的材料参数如密度和弹性模量等逐渐变化;采用金属梯度多孔材料代替传统均质多孔芯层会影响夹芯板的振动特性。基于高阶夹芯板理论且考虑梯度多孔芯层密度和弹性模量的耦合影响,建立了复合材料面层-金属梯度多孔夹芯板的振动方程。分析了3种密度的梯度芯层:单向分布、正梯度对称分布和负梯度对称分布对夹芯板固有频率的影响;最后讨论了3种梯度夹芯板在相同三角脉冲载荷作用下的振动响应。计算结果表明梯度芯层密度对称分布的夹芯板固有频率大于单向分布的夹芯板固有频率。     

Design and Optimization of Press Bend Forming Path for Producing Aircraft Integral Panels with Compound Curvatures

In order to find out the optimal press bend forming path in fabricating aircraft integral panels, this article proposes a new method on the basis of the authors' previous work. It is composed of the finite element method (FEM) equivalent model, the surface curvature analysis, the artificial neural network response surface and the genetic algorithm. The method begins with analyzing the objective's shape curvature to determine the bending position. Then it optimizes the punch travel at each bending position by the following steps: (1) Establish a multi-step press bend forming FEM equivalent model, with which the FEM experiments designed with the Taguchi method are performed. (2) Construct a back-propagation (BP) neural network response surface with the data from the FEM experiments. (3) Use the genetic algorithm to optimize the neural network response surface as the objective function. Finally, this method is verified by press bending a complicated double-curvature grid-type stiffened panel and bears out its effectiveness and intrinsic worth in designing the press bend forming path.