熱壓彎成形工藝下的高筋蒙皮結構優化研究

薛文彬 ，陳明和，謝蘭生

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

高筋蒙皮由于質量輕、剛度高在運載火箭、導彈外殼上得到了廣泛的使用[1]，其特點是蒙皮和加強筋相結合組成一個整體。由于其結構復雜、外形精度高、推重比大等需求，輕量化、高精度成為高筋蒙皮制造研究的重點。熱壓彎成形是一種傳統的高筋蒙皮成形工藝，具有加工成本低、周期短、適應不同輪廓[2]等優點，但容易導致筋條扭曲、失穩等成形缺陷。高筋蒙皮筋條的失穩會使構件的可靠性大幅降低，嚴重時會導致成形件的報廢[3]。針對筋條失穩的問題，研究人員通常采用改變蒙皮成形的工藝方法進行優化[4]，但尚無學者對高筋蒙皮筋條的結構進行研究和分析。

本文通過ABAQUS/Explicit軟件模擬5A06鋁合金高筋蒙皮的熱壓彎成形過程，針對蒙皮的整體質量和橫向筋條的屈曲失穩問題進行優化研究。采用田口正交試驗法進行熱壓彎成形仿真試驗，并對試驗結果進行極差和方差的分析，綜合評估高筋蒙皮橫向筋條的筋寬、筋高、縱向筋條的筋條間距對零件質量和橫向筋條失穩的影響[5]，得出較優的結構參數組合，指導實際制造過程的熱壓彎成形試驗。本文的試驗方案流程如圖1所示。

圖1 基于ABAQUS方差分析的熱壓彎成形正交參數優化流程

1 試驗材料與方法

1.1 高筋蒙皮熱壓成形工藝仿真

本文以5A06鋁合金高筋蒙皮為研究對象，采用ABAQUS/Explicit模擬分析高筋蒙皮熱壓彎成形的過程。數值模擬前需要簡化，忽略模具熱脹的影響，成形是在恒溫條件下進行，無熱交換的影響，材料成形參數用材料相應溫度的性能來表征。試驗材料為一塊如圖2(a)所示的400mm×270mm×28mm的熱軋態5A06鋁合金高筋壁板。根據 5A06 鋁合金高溫拉伸試驗結果可知，5A06 鋁合金在溫度為 300℃～450℃時呈現良好的變形能力[6]，且變形抗力較小。運用ABAQUS/Explicit軟件，建立與試驗件尺寸相同的有限元模擬對象，如圖2(b)所示。采用實體單元C3D8R對壁板毛坯進行劃分，設置網格化邊長為2mm；上下模視為剛體，提取模具表面，采用剛體單元R3D4進行劃分。5A06鋁合金在400℃高溫條件下的應力-應變曲線如圖3所示，材料的密度為2.7g/cm3，彈性模量約為72GPa，泊松比為0.3[7]。

圖2 高筋蒙皮熱壓成形前后的結構件有限元模型

圖3 5A06鋁合金400℃下的應力-應變曲線

1.2 田口正交試驗

結合生產實際，本文以成形構件的質量作為目標函數1，以橫向筋條縱向位移所表征的橫向筋條起皺情況作為目標函數2。選擇橫向筋寬、筋高和縱向筋間距作為影響零件質量和成形精度的潛在因素，每個參數選取4個水平，采用田口正交表L16(43)設計并進行仿真試驗?？v向筋條的寬度固定為6mm，筋高選擇16～25mm，橫向筋寬選擇2～8mm，縱向筋間距取50～200mm。蒙皮筋條結構參數水平如表1所示，田口正交試驗安排及對應的成形零件質量和橫向筋條切向應力如表2所示。

表1 筋條結構參數及水平 單位：mm

表2 熱壓成形正交試驗及仿真結果

1.3 極差分析與方差分析

2 結果分析

2.1 仿真結果云圖

對16組結構參數由ABAQUS/Explicit計算得到高筋蒙皮成形的橫向筋條縱向位移，仿真試驗結果如表2所示。16組試驗中，第8組的最大縱向位移最小，縱向位移主要發生在外部邊框處，為0.731 3mm，對應的筋高為19mm，橫向筋寬為8mm，縱向筋間距為50mm。這說明在該結構參數下橫向筋條失穩的可能性最小。第13組的質量最小，為3.022 9kg，其中橫向筋條的最大縱向位移為7.272mm，橫向筋條發生起皺的現象(圖4)。

圖4 高筋蒙皮縱向位移云圖

2.2 蒙皮結構參數對筋條失穩和蒙皮質量的影響規律

從表2所得到的試驗數據中分析各結構參數對橫向筋條縱向位移和蒙皮質量的影響。表3和表4分別為橫向筋條縱向位移和質量的極差分析結果，極差值越大代表所占的影響因素越大。在筋條縱向位移極差分析中，結構參數對橫向筋條縱向最大位移影響程度：橫向筋寬>筋條高度>縱向筋間距。在高筋蒙皮質量極差分析中，結構參數對高筋蒙皮質量影響程度為筋條高度>橫向筋寬>縱向筋間距。

表3 橫向筋條縱向位移極差分析

表4 高筋蒙皮質量極差分析

2.3 正交參數優化

采用田口正交實驗法，不考慮各因素之間的交互作用，通過2.2節得出不同結構相應的影響因素主次順序可以得出一個較優的結構參數組合。

2.4 試驗驗證及結果分析

根據模擬仿真得到的優化參數，對5A06鋁合金高筋蒙皮進行熱壓彎成形試驗，模擬結果如圖5所示。圖5(a)為筋高16mm、筋寬2mm、橫向筋間距50mm的仿真結果圖，橫向筋條出現了明顯的起皺現象，可以看出失穩情況的發生，質量為4.873 9kg；圖5(b)為優化后的高筋蒙皮，筋條的橫向位移在1mm之內且變形區域主要集中在外輪廓，筋條未發生失穩的情況，質量為3.114 1kg。優化后的高筋蒙皮結構相較于優化前的結構失穩風險顯著降低，質量減輕36.1%。

圖5 熱壓彎成形模擬結果

3 結語

1) 采用田口正交試驗法，以筋高、橫向筋條寬度、縱向筋條筋間距為參數，以橫向筋條失穩風險和高筋蒙皮的質量為目標構建了高筋蒙皮熱壓彎成形的仿真試驗方案，通過橫向筋條縱向位移表征筋條失穩的風險，通過方差分析確定了各結構參數對失穩和質量影響的顯著性。

2)筋高對高筋蒙皮質量的影響較大，增大筋高會有效減輕蒙皮的質量。橫向筋條的筋寬對筋條失穩的影響較大，在筋寬<2mm時筋條極容易發生失穩缺陷。