文档介绍：国内图书分类号:TG394 学校代码:10213
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工学博士学位论文
5A02 铝合金弯曲轴线超薄异型管内高压
成形研究
博士研究生: 宋鹏
导师:苑世剑教授
协助指导教师: 徐永超副教授
申请学位:工学博士
学科:材料加工工程
所在单位:材料科学与工程学院
答辩日期:2010 年 6 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index: TG394
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
RESEARCH ON HYDROFORMING OF 5A02
ALUMINUM ALLOY CURVED THIN-WALLED
TUBE WITH POLYGONAL-SECTIONS
Candidate: Song Peng
Supervisor: Prof. Yuan Shijian
Assistant supervisor: Prof. Xu Yongchao
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Specialty: Materials Processing Engineering
Affiliation: School of Materials Sci. & Eng.
Date of Defence: June, 2010
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
铝合金弯曲轴线超薄异型管是航空、航天等领域中常用的典型轻量化构
件,在汽车等领域中也有着广阔的应用前景。由于三维变曲率轴线和大径厚比
等结构特点,同时与钢相比,铝合金存在延伸率和弹性模量低、摩擦系数大等
问题,使得铝合金管材内高压成形比钢管材难度大,需要对成形规律和变形机
理进行深入系统的研究。
针对 5A02 铝合金弯曲轴线超薄异型管,分析了矩形截面内高压成形圆角
充填行为及圆角区塑性变形规律,采用充液压弯方法成形了超薄管材弯曲件,
研究了弯曲轴线超薄异型管内高压成形过程。
通过力学分析与增量本构关系,建立了极限圆角半径与摩擦系数关系的理
论模型,揭示了极限圆角半径的机理。指出当摩擦系数小、直边短时,能获得
较小的极限圆角半径;而当摩擦系数越大、直边越长时,越难获得较小的圆角
半径。
利用实验装置获得了矩形截面内高压成形圆角充填过程中圆角半径与内压
的定量关系,研究了三种润滑剂对圆角成形内压和极限圆角半径的影响规律,
并对圆角成形内压理论值进行了实验验证。结果表明:润滑条件对圆角充填影
响显著,改善润滑使圆角成形内压降低,能获得更小的圆角半径。对于 5A02
铝合金,采用聚乙烯膜润滑时,相对圆角半径可达到 。
为了更好地反映矩形截面内高压成形圆角充填过程后期比较复杂的三向应
力状态,采用 DEFORM-2D 软件进行了圆角充填行为固体元数值模拟,研究了
摩擦系数、膨胀率及预制坯形状对圆角充填的影响规律,给出了圆角区应力状
态三维图形可视化表征及在屈服柱面上的应力轨迹,揭示了应力状态变化规
律。应力状态三维图形可视化表征表明圆角区应变状态为沿着厚向缩短和环向
伸长的趋势变化,过渡点最先发生塑性变形并且等效应变始终最大。内侧特征
点在屈服柱面上的应力轨迹表明变形过程中随内压的增大,过渡点的轴向应力
始终为拉应力。
弯曲内侧起皱是超薄铝合金管材弯曲的主要缺陷形式之一,利用充液压弯
方法,解决了超薄铝合金管材弯曲起皱问题。根据理论计算获得内压值,通过
实验研究了内压对弯曲内侧起皱、截面畸变及弯曲外侧减薄的影响规律,获得
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
了径厚比达到 63 的 5A02 铝合金弯曲件,为后续内高压成形提供了合格预制
件。通过数值模拟给出了弯曲内侧应力状态与起皱机制。指出内压作用于封闭
的管端产生轴向拉应力,降低轴向压应力数值,当内压大于临界值时可以避免
弯曲内侧起皱。
通过实验研究了弯曲轴线超薄异型管内高压成形过程,采用充液压弯、预
成形和内高压成形获得了合格试件。采用多步法数值模拟研究了充液压弯、预
成形和内高压成形全过程,给出了成形难度最大的中段截面的壁厚分布规律及
贴模过程,分析了弯