GH536 燃燒室帽罩粘性介質(zhì)結(jié)合翻邊成形應力場數(shù)值分析

王芝橋，潘 磊，李 威，蔡 晉

（1.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043；2.沈陽航空航天大學 航空宇航學院，遼寧 沈陽 110136）

0 引言

粘性介質(zhì)成形是在傳統(tǒng)柔性板材成形技術的基礎上發(fā)展起來的一種板材成形工藝，與傳統(tǒng)柔性技術不同，粘性介質(zhì)成形采用一種半固態(tài)的、可流動的粘性材料作為承載壓力的介質(zhì)[1]，與傳統(tǒng)的板料成形工藝相比，粘性介質(zhì)可以很好地填充復雜曲面形狀的表面。粘性介質(zhì)成形的傳壓介質(zhì)介于液體和固體之間，對加載壓力條件具有較強的應變率敏感性[2-3]。高鐵軍等[4-5]驗證了粘性介質(zhì)的出色的熱穩(wěn)定性和傳熱性能，通過使用有限元方法，研究了錐形及方盒形零件的粘性成形過程，得到了不同工藝參數(shù)條件下的成形試件幾何形狀和壁厚分布規(guī)律，證明了粘性介質(zhì)成形的有效性。基于上述研究，考慮到GH536高溫合金帽罩的復雜形狀特征，本文采用兩次預先粘性介質(zhì)成形結(jié)合一次翻邊成形有限元方法，對帽罩成形過程中應力場分布進行研究，目的通過優(yōu)化坯料中心圓開孔尺寸及翻邊凸模進給速度，促進成形時成形塑性流動趨勢，減少材料堆疊，緩解帽罩環(huán)形凸起及翻邊異形孔復雜曲面區(qū)域嚴重褶皺情況。

1 粘彈塑性材料模型

粘彈塑性模型指材料在變形過程中既表現(xiàn)出彈性與塑性特征，又表現(xiàn)出與時間相關的非線性力學特性。根據(jù)材料變形中各部分應變與時間的相關性和可回復性，可將總應變ε 分為彈性εe、粘彈性εve、塑性εp和粘塑性εvp四部分。本文在粘性介質(zhì)成形仿真過程中將粘塑性應變分量視為一個整體，不分解成與時間相關和無關的分量，將塑性應變分量εp 作為粘塑性應變分量εvp的一部分，總應變可表示成如下形式：

2 有限元模型的建立

建立4 組粘性介質(zhì)預成形及二次成形有限元模型，選擇優(yōu)化區(qū)間為200mm～300mm，中心圓初始開孔尺寸分別設置為200mm、230mm、260mm、300mm，分別研究中心圓開孔尺寸對GH536 高溫合金帽罩粘性介質(zhì)成形預成形的影響，板坯與模具間的摩擦系數(shù)為0.03，成形過程柱塞移動速度為20mm/s，預成形板料半徑465mm，板料厚度為1.2mm，材料模型中，粘性介質(zhì)成形總應變采用彈性應變、粘彈性應變、粘塑性應變疊加計算，如公式（1）所示，粘性介質(zhì)成形過程如圖1 所示。基于初始粘性介質(zhì)成形優(yōu)化結(jié)果，建立2 組翻邊成形有限元仿真模型，根據(jù)實際加工進給速度范圍（1.5m/s～5m/s），進一步縮小研究區(qū)間，凸模沖壓速度分別采用3m/s、2m/s，采用凹模與凸模對帽罩初始結(jié)果進行沖壓翻邊，模型如圖2所示。

圖1 GH536 粘性介質(zhì)成形仿真模型示意圖

圖2 GH536 翻邊成形仿真模型示意圖

3 成形特性有限元數(shù)值模擬分析

3.1 GH536 帽罩粘性介質(zhì)預成形應力場分析

圖3 為200mm、230mm、260mm、300mm 開孔尺寸GH536 帽罩環(huán)形凸起區(qū)域中間開孔尺寸模型環(huán)形凸起區(qū)域預成形殘余應力分布情況，圖4 為200mm、230mm、260mm、300mm 開孔尺寸環(huán)形凸起區(qū)域預成形殘余拉應力與殘余壓應力極值分布情況。對比結(jié)果表明，在GH536 帽罩環(huán)形凸起區(qū)域預成形過程中，應力場規(guī)律出現(xiàn)拐點，與初始尺寸優(yōu)化成形規(guī)律相似，褶皺區(qū)域處于拉應力區(qū)，在每個模型中，殘余拉應力極大值均位于局部褶皺特征區(qū)域，與預成形帽罩環(huán)形凸起區(qū)域殘余應力狀態(tài)相近，環(huán)形凸起區(qū)域均由殘余壓應力與拉應力混合組成，其中殘余拉應力占主要組成部分。

圖3 不同坯料中心圓孔尺寸預成形殘余應力分布情況

圖4 預成形殘余應力極值隨帽罩坯料中心圓孔直徑分布情況

殘余應力隨孔徑分布顯示，300mm 平均殘余拉應力約420MPa，平均壓應力約-75MPa，應力場出現(xiàn)拐點，殘余拉應力均值有下降的趨勢，殘余壓應力分布有提高的趨勢，法蘭區(qū)域與環(huán)形凸起內(nèi)側(cè)邊緣區(qū)域處于較低的殘余拉應力與殘余壓應力混合狀態(tài)，其中殘余壓應力占主要組成部分，在該開孔尺寸范圍內(nèi)，增加開孔尺寸，環(huán)形凸起表面拉應力均值有下降趨勢，法蘭及環(huán)形內(nèi)起內(nèi)側(cè)區(qū)域殘余壓應力有提高趨勢，與褶皺程度相對應，拉應力有助于環(huán)形凸起區(qū)域褶皺的增加。

3.2 GH536 帽罩粘性介質(zhì)二次成形應力場分析

基于初始預成形結(jié)果，優(yōu)化中心圓開孔尺寸為230mm、240mm、255mm、260mm，研究對中心圓尺寸優(yōu)化范圍對二次成形的影響，圖5 為環(huán)形凸起內(nèi)外兩側(cè)壓邊方式帽罩中間開孔尺寸模型環(huán)形凸起區(qū)域二成形殘余應力分布情況。四種模型殘余應力分布結(jié)果顯示，殘余拉應力極值均位于環(huán)形凸起與內(nèi)側(cè)連接圓角區(qū)域，相比前幾部分研究的應力場研究，兩種范圍下（230mm～240mm、255mm～260mm）殘余拉應力整體降低，因此降低了由拉應力引發(fā)的褶皺出現(xiàn)的概率，環(huán)形凸起區(qū)域均由殘余壓應力與拉應力混合組成，其中殘余拉應力占主要組成部分，相比四種開孔尺寸下環(huán)形凸起區(qū)域殘余應力場，240mm 與255mm 開孔尺寸環(huán)形凸起區(qū)域殘余拉應力與壓應力分布更為均勻。法蘭區(qū)域與環(huán)形凸起內(nèi)側(cè)邊緣區(qū)域處于較低的殘余拉應力與殘余壓應力混合狀態(tài)，其中殘余壓應力占主要組成部分。在該開孔尺寸范圍內(nèi)，增加開孔尺寸，法蘭及環(huán)形內(nèi)起內(nèi)側(cè)區(qū)域殘余壓應力有提高的趨勢。

圖5 不同坯料中心圓孔尺寸二次成形殘余應力分布情況

圖6 為環(huán)形凸起區(qū)域二次成形殘余拉應力與殘余壓應力極值分布情況。在230mm～240mm、255mm～260mm 兩個中間開孔尺寸范圍增加的過程中，殘余拉應力極值均呈增加的趨勢，孔徑的增加，使殘余拉應力值有提高的趨勢，促進了環(huán)形凸起區(qū)域成形時的材料流動趨勢，殘余壓應力均值有下降的趨勢，作為殘余拉應力相補償?shù)臍堄鄩簯Γ兓厔菖c殘余拉應力相對應，對成形壓邊區(qū)域影響較大，對環(huán)形凸起區(qū)域成形過程影響較小。在四種開孔尺寸范圍內(nèi)，殘余拉應力與壓應力均值及極值的分布均勻，使帽罩環(huán)形凸起區(qū)域沒有明顯褶皺出現(xiàn)，法蘭區(qū)域由于壓邊的需要，應力場分布均勻性較差，局部有部分褶皺出現(xiàn)，但不影響帽罩目標環(huán)形凸起區(qū)域成形狀態(tài)。

圖6 二次成形殘余應力極值隨帽罩坯料中心圓孔直徑分布情況

3.3 GH536 帽罩翻邊成形應力場分析

基于粘性介質(zhì)成形帽罩成形結(jié)果，結(jié)合帽罩翻邊有限元模型設，進一步分析翻邊成形應力場分布狀態(tài)，圖7 為帽罩翻邊成形不同凸模沖壓速度應力場分布，結(jié)果顯示，在帽罩相同位置下，與3m/s 模型相比，采用2m/s 進給速度應力場整體降低，翻孔邊緣區(qū)域應力由750MPa 降低至450MPa，較高的應力場將引起局部畸變，影響成形幾何精度，降低進給速度，模型整體變形應力均勻性提高，將帽罩整體應力水平分為三個部分，法蘭及帽罩中心區(qū)域為低應力區(qū)，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域（除異形孔區(qū)域）為中等應力區(qū)，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域翻邊異形孔連接區(qū)域為高應力區(qū)，低應力區(qū)平均應力范圍為（50MPa～135MPa），中等應力區(qū)平均應力范圍為（112MPa～226MPa），高應力區(qū)平均應力范圍為（345MPa～460MPa），帽罩相同位置應力分布整體呈下降趨勢，降低凸模進給速度后，局部異形孔前緣區(qū)域畸變程度得到一定緩解，降低了高應力區(qū)引起壁厚減薄程度過高引發(fā)破裂的風險，局部高應力分布減少，采用2m/s 凸模進給速度，應力場均勻性符合成形要求。

圖7 帽罩翻邊成形不同凸模沖壓速度應力場分布

4 結(jié)論

（1）在粘性介質(zhì)預成形過程中，環(huán)形凸起區(qū)域均由殘余壓應力與拉應力混合組成，殘余拉應力占主要組成部分，法蘭區(qū)域處于較低的殘余拉應力與殘余壓應力混合狀態(tài)，殘余壓應力占主要組成部分。增加開孔尺寸，環(huán)形凸起表面拉應力均值有下降的趨勢，法蘭及環(huán)形內(nèi)起內(nèi)側(cè)區(qū)域壓應力有提高的趨勢，與褶皺程度相對應，拉應力有助于環(huán)形凸起區(qū)域褶皺的增加。

（2）在粘性介質(zhì)二次成形過程中，殘余拉應力與壓應力均值及極值的分布均勻，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域沒有明顯褶皺出現(xiàn)，而法蘭區(qū)域由于壓邊的需要，殘余應力均勻性較差，局部有部分褶皺出現(xiàn)，但不影響帽罩目標環(huán)形凸起區(qū)域成形狀態(tài)。

（3）帽罩中心開孔尺寸決定了材料成形時環(huán)形凸起區(qū)域的應力場分布，中心圓孔尺寸過小，材料成形時出現(xiàn)堆疊等特征，引起褶皺的產(chǎn)生，中心圓開孔尺寸過大，則引起壓邊余量不足，同樣影響成形時材料分布的均勻性。

（4）降低進給速度，模型整體變形應力均勻性提高，局部異形孔前緣區(qū)域畸變程度得到一定緩解，降低了高應力區(qū)引起壁厚減薄程度過高引發(fā)破裂的風險，采用2m/s 凸模進給速度，應力場均勻性符合成形要求。