大型座艙骨架整體成形有限元模擬及實驗研究

孫前江 王高潮 黃映霞

南昌航空大學，南昌，330063

0 引言

鍛造成形是金屬塑性成形工藝的重要組成部分。由于鍛件的形狀、尺寸穩定，具有良好的綜合力學性能和機械性能，纖維組織合理，材料利用率高，因此鍛造成形在機械、冶金、航空、航天、兵器及其他工業領域得到了廣泛應用[1－2]。但是鍛造成形屬于三維非穩態塑性成形，在成形過程中既存在材料非線性，又存在幾何非線性，同時還存在邊界條件非線性，變形機制十分復雜[3－4]。文獻[3-6]采用有限元方法對曲軸等復雜鍛件的鍛造過程進行了計算分析，并將計算結果應用于實際生產中，解決了鍛造成形過程中出現的問題。由于座艙骨架零件尺寸較大，鍛件的整體成形對模具結構及鍛造設備都提出了較高的要求，因此目前國內外對飛機座艙骨架的整體成形的研究還未見諸報道。為了研究大型鋁合金座艙骨架整體鍛造成形的變形機制及特點，本文采用剛塑性有限元軟件 DEFORM－3D[7－8]，對該鍛件的整體成形進行三維有限元模擬[9]。另外，為驗證有限元模擬結果的可靠性，結合實際生產對該鍛件的鍛造過程進行了研究。

1 成形方案設計

飛機座艙骨架零件結構如圖1a所示，其材料為LD5鋁合金。該零件整體尺寸較大，長度約為3m，寬度約為1m，并有3個不同高度的曲面弧框，因此整體成形相對比較困難。傳統的工藝設計方案是將座艙骨架分成5個獨立的零件，分別對其進行鍛造、機械加工和熱處理，最后對5個零件進行裝配以達到設計要求。這種工藝不僅繁雜，并且零件的整體結構剛度和強度難以保證。為了消除傳統工藝的弊端并提高座艙骨架零件的整體性能，擬采用整體鍛造的方法實現該零件的成形，最后對其進行后續的機械加工。鍛件的設計直接影響模具結構及零件質量，本文針對該零件的結構特點進行了詳細的分析，并結合大型鍛件的鍛造工藝特點，設計了座艙骨架鍛件，如圖1b所示。由于鍛件的尺寸較大，因此鍛造模具和坯料尺寸相應較大，并且鍛件成形也需要較大的鍛造載荷。為了減小鍛造載荷、降低模具和零件的加工難度并節約成本，模具和坯料的初始設計方案分別如圖2、圖3所示。圖2中，凸模和凹模均設計成組合式結構，用于成形鍛件的前弧框、中弧框和后弧框的凸模和凹模分別加工后，再組裝到模板上。圖3中，坯料上設計有兩個不規則的孔。

圖1 座艙骨架零件及鍛件圖

圖2 模具初始結構

圖3 坯料

2 數值模擬

2.1 模擬條件設定

為了真實地反映實際的工作條件，模擬時采用的模具材料為45鋼，坯料為LD5鋁合金（化學成分如表1所示），該合金在高溫下變形的應力應變曲線如圖4所示。由圖4可知，LD5鋁合金在熱鍛過程中對應變速率非常敏感，當應變速率從0.1s－1增加到10s－1時，流動應力增加了近1倍，這表示變形速度或應變速率越大，LD5鋁合金在成形過程中的變形抗力越大，結合水壓機的工作特點，本文將凸模的運行速度設定為80mm／s。

表1 LD5鋁合金化學成分的質量分數 %

圖4 LD5鋁合金應力應變曲線

根據LD5鋁合金的鍛造工藝特點，將坯料的始鍛溫度設定為440℃，將模具預熱溫度設定為180℃，模擬過程中不考慮模具的變形，假定模具為剛體，邊界條件中的摩擦模型采用常剪應力摩擦，模具與坯料之間的摩擦因數取0.4。坯料的網格單元采用四面體單元，總共劃分了50 000個單元。

2.2 模擬和分析

為了研究初始設計方案的合理性，首先對初始設計方案進行了數值模擬，獲得的等效應變和等效應力分別如圖5a、圖5b所示。由圖5a、圖5b可知，鍛件底部坯料沿著凹模上端面向兩側流動，并發生嚴重變形。嚴重變形的主要原因是，初始方案中的凹模深度過小，鍛件各弧框部位坯料充滿凹模后，坯料無法繼續向下流動，因此鍛件底部坯料與凸模的固定板接觸后開始向兩側流動，并隨凸模的繼續運動而發生劇烈變形。分析等效應變和等效應力分布圖可知，坯料嚴重變形處的等效應變和等效應力均出現了較大值，圖5a中最大等效應變接近4.0。另外，隨著坯料逐漸減薄，變形抗力逐漸增大，坯料畸變處最大等效應力約為100MPa，變形越來越困難，因此載荷隨著行程的增加而增大，最大變形載荷達到了173MN，如圖5c所示。因此，由模擬結果分析可知，初始設計方案不合理，其既不能保證鍛件的質量，也不利于鍛壓設備的選擇。

初始設計方案不合理，需要進一步對設計方案進行優化。上述模擬結果主要是由不合理的模具結構所致，因此首先對模具結構進行優化。根據鍛件的特點將凹模的深度增加100mm，并將后弧框成形凹模增寬240mm，優化后的模具結構如

圖5 初始設計方案模擬結果

圖6所示。坯料繼續采用初始方案中的結構。凸模行程為500mm時，變形坯料表面光滑，未出現任何缺陷，表明此時坯料流動合理，如圖7a所示；當凸模繼續向下運動至700mm時，鍛件的兩側變形不一致，左側面已基本彎曲成形，右側面僅部分彎曲成形（主要是前弧框和中弧框部位），如圖7b所示；當凸模下行至960mm時，坯料開始出現缺陷（后弧框兩側有坯料向外流動并發生變形，前弧框部位的底邊也有輕微變形），如圖7c所示；圖7d所示為最終成形的鍛件，此時各弧框已完全成形，未出現充不滿現象，但是后弧框兩側的坯料有折疊缺陷產生。

圖6 優化后的模具結構

分析模擬結果可知，坯料上的缺陷主要集中在后弧框兩側，并且坯料向兩側流動。由圖7d可知，凸模行程為1000mm時，后弧框已完全成形，隨著凸模繼續向下運動，坯料受壓后向兩側流動并發生變形，因此可以判斷后弧框兩側部分坯料體積過大。針對這種結果，對坯料的外形和尺寸進行了優化。優化原則是，將座艙骨架零件的各個弧框展開后再計算坯料的尺寸，優化后坯料的外形類似橢圓形，如圖8所示。圖8中的陰影部分表示在初始坯料方案基礎上后弧框部位需要修剪的部分。模擬結果如圖9所示，由圖9a～圖9c可知，坯料優化后，鍛件成形效果較好，其表面無任何缺陷產生，整個成形過程中坯料的最大等效應變未超過0.4，表明此時坯料的變形合理。同時，坯料優化后使得鍛件的成形載荷大幅度降低，由圖9d可知，最大成形載荷為82.7MN，滿足實際鍛壓設備的噸位要求。

圖7 模具優化后的模擬結果

圖8 優化坯料

圖9 坯料優化后的模擬結果圖

3 試驗驗證

為了生產出合格的鍛件，根據模擬的優化結果設計了一套比例縮小的模具進行了試驗，如圖10a所示，凸模的結構為模擬時的結構，凹模采用整體式結構。試驗獲得的鍛件如圖10b所示。由鍛件圖可知其成形的總體效果較好，只有后弧框底邊產生了輕微的彎曲。試驗結果表明，鍛件成形情況與模擬的結果基本一致。根據試驗的結果，按照優化后的模具和坯料尺寸進行了生產用模具和坯料的加工，模具結構如圖11a所示。由于模具尺寸較大，為了節約模具材料并減少機械加工的工作量，凸模和凹模設計為組合式結構，并采用焊接及螺釘連接的方式將其組裝。生產時采用的鍛壓設備為萬噸水壓機，生產的鍛件如圖11b所示，其與模擬結果完全一致。

圖10 試生產用模具結構及鍛件

4 結語

通過CAE技術對大型鋁合金座艙骨架鍛件的整體成形過程進行了模擬，研究了坯料的變形行為。在此基礎上，對模具結構以及坯料進行了優化，并預測了鍛造載荷。另外，根據模擬結果進行了實際生產驗證，一次試模成功，實際生產的鍛件與模擬結果一致。

圖11 實際生產用模具結構及鍛件

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