涉及特殊加载条件和尺度效应的金属薄板微型辊式冷弯成形机理研究

20240125

制造业

本项目在北京市自然基金委-教科委联合支持下，完成了针对涉及多重尺度效应和特殊加载条件的宏微观变形机理的系统研究。其中包括（1）建立了考虑材料的内在尺度效应、外在尺度效应以及应变梯度硬化尺度效应，建立了能够精确描述该工艺的多尺度力学模型。（2）针对所研究的微辊弯工艺中材料的反复加卸载与平面应变受力状态设计了新的基础实验，使能够确定特定成形工艺中特定受力状态条件下的多尺度变形行为和微观塑性变形机理。（3）提出了一种新的有限元建模方法，使其既能够反映微辊弯成形的微观组织和微结构的演化，又能够具有与宏观成形有限元仿真相当的仿真速度；既能够保证弯角区域应力应变的高精度计算，又能够保证非主要变形区的高效率计算，以确保计算过程稳健且高效，实现微辊弯成形的高精度、高效率仿真平台。基于上述宏微观结合的微辊弯有限元计算平台进行模拟，指导工艺规划与微辊弯成形轧辊设计，验证仿真精度并提出工艺优化方案，对相关的微辊弯成形工艺进行推广。提出了一种高温合金航空发动机封严环零件的制造和相关的实验评价报告。共发表论文20篇，申请发明专利3项，申请软件著作6项。进一步提高北京市变截面辊弯成形工程技术研究中心水平为微辊弯成形技术迈向高精度、批量化制造打下坚实的基础。推动航空发动机、新能源燃料电池汽车等的蓬勃发展，为丰富和发展塑性力学理论和相关工艺研究提供重要参考。

实现转化需要合作方提供材料费，测试化验加工费等实现转化需要合作方提供材料费，测试化验加工费，知识产权费等共计80-100万元；合作方需可提供电子扫描电镜设备、试样加工设备、超级计算平台等；实验场地面积需求200平米左右；核心技术人员5-10名。

仅限国内转让

微型辊式冷弯成形工艺在高强度低延伸率薄板的细长、小圆角半径弯曲类零件的连续加工中具有突出优势，在燃料电池、节能减排空调、航空发动机研制等方面都具有广泛的应用。针对该工艺涉及多重尺度效应和特殊加载条件的宏微观变形机理的系统研究可以解决微型辊弯成形件的回弹、缺陷等情况。指导工艺规划与微辊弯成形轧辊设计，预计可产生500万的效益。

2023科技重点项目

北京市教育委员会

结合微辊弯成形工艺力学分析、多道次微辊弯成形预研实验零件的微观组织分析和初步的成形工艺有限元模拟，探究确定成形过程中材料主要变形区的加载状态和加载历史。在现有的双向微拉伸试验装置的基础上，结合所确立的加载方式，编写控制程序，实现板料在指定加载方式下的循环加卸载基础试验。同时，考虑微辊弯成形中弯角变形区的应变梯度硬化效应，改进了已有的薄板微弯曲装置，实现面向微辊弯成形所需要的循环加卸载基础微弯曲试验。 以目前微辊弯成形中常用的不同厚度的SS304L不锈钢、GH4169高温合金薄板材料为研究对象，进行十字形试件双向微拉伸试验以实现不同加载路径，采用光学非接触方法测量全场应变。在此基础上考虑薄板弯曲中的应变梯度效应，着重设计能够反映微辊弯中特殊弯曲加载状态下应变梯度尺度效应的微弯曲试验。采用宏微观结合的方法对上述加载状态和加载历史下复杂试验现象及成形后试件主要变形区进行深入研究，分析变形规律。 基于上述基础试验数据，获取不同加载方式下的宏微观变形规律，建立考虑多重尺度效应的基于现象学本构模型和位错密度的晶体塑性模型，并将其在有限元软件中稳健实现。进而充分考虑微辊弯成形工艺特点，结合前期研究中建立的宏微观力学模型，分区域应用于微辊弯成形仿真，进行微辊弯成形多尺度有限元模拟，并通过成形试验验证所建本构模型的精度，最终实现对微辊弯成形复杂成形与回弹规律的精确预测。 本项目针对微型冷弯成形（微辊弯成形），探究了其特有的加载状态和加载历史（平面应变状态下的循环定向加卸载）条件下的薄板变形机理，完成了一些主要成果如下：（1）根据晶体塑性有限元理论，以具有典型FCC金属结构的铝合金为研究对象进行晶体塑性模拟，将宏观唯象理论与细观晶体塑性模型有效的结合，得到了其后继屈服轨迹。（2）设计了能反映微辊弯成形主要变形区加载方式和加载历史的基础实验。对不同宽、厚度的试样进行了单向拉伸、双向拉伸以及平面应变拉伸实验，分析宏观与微观结果，并定量的表征变形中的尺度效应。利用Abaqus进行了拉伸仿真，考虑不同的尺度效应，在仿真模型中嵌入晶体塑性子程序，采用了不同的晶粒尺寸和不同的构件尺寸，探究了内在与外在的尺度效应。（3）针对微辊弯成形的工艺特点，提出了一种改进的基于r值的屈服应力的参数求解方法，并利用该方法进行Hill48的各向异性屈服准则参数求解。进行了不同材料与不同加载方式的微弯曲试验，并基于Mises和Hill48屈服准则进行了有限元模拟。同时验证了基于所提出的新方法标定的Hill48屈服准则建立的模型比基于Mises屈服准则建立的模型更能有效合理的描述板料弯曲变形后的回弹情况和不同材料方向的弯曲回弹规律。针对微弯曲试验进行了晶体塑性有限元模拟，探究弯曲过程中的应变梯度尺度效应。（4）根据微辊弯成形工艺特点，进行了典型截面特征的多道次微辊弯成形预研试验，并针对成形试件出现的纵向弯曲、边波等缺陷，利用有限元模拟实验过程进行了工艺参数优化，并得到了成型质量更高的微辊弯试件。根据微辊弯成形平面应变循环加卸载的特点，结合晶体塑性有限元理论进行了仿真模拟，可以更好的研究成形回弹过程，并探究了成形过程中的尺度效应。（5）基于不同加载方式下的基础实验与不同微弯曲类反复加卸载试验结果，建立了能够考虑内在尺度效应、外在尺度效应以及应变梯度尺度效应的本构模型，并提出本构模型的材料参数求解方法。（6）提出一种面向厚度为1mm以下的微型辊弯成形工艺，进行了微辊弯成形工艺力学分析和有限元仿真模拟，以探究成形过程中材料主要变形区的加载状态和加载历史。以SUS316L不锈钢薄板材料为研究对象，对比试验和仿真得到了高精度的V型截面实际微辊弯成形有限元模型 （7）开发对应的用户子程序，将建立的本构模型在Abaqus中实现。同时考虑成形精度和仿真计算效率，将建立的晶体塑性模型和宏观现象学本构模型结合，分别赋予到微辊弯成形的不同变形区域，实现了一种新型的有限元模型，建立了微辊弯成形高精度有限元平台。（8）提出了新的完整的W型封严环成形工艺，具体流程为开卷、校直、辊弯、弯圆、焊接。利用ABAQUS有限元仿真软件建立了航空发动机用W型封严环多道次微辊弯成形有限元模拟，分析了其应力应变规律，并探究了板材在成形过程中的变形行为。以该项目为背景，在国内外相关领域重要学术期刊上发表了期刊论文20篇，学位论文5篇，发明专利3项，软著4项。