固体颗粒介质成形新工艺及其理论研究

论文摘要

本课题来源于河北省自然科学基金项目“金属管材固体颗粒介质胀形新工艺及其理论研究(项目编号:502177)”。通过对目前传统胀形工艺的深入分析和研究,提出了固体颗粒介质成形工艺(Solid granules medium forming technology, SGMF)。固体颗粒介质成形是采用固体颗粒代替刚性凸模(或弹性体、液体)的作用对管坯进行胀形的工艺。该新工艺与传统软模成形工艺的重要区别不仅在于传压介质的不同,而且由于传压介质的改变,导致了其成形规律的不同。本工艺及其理论研究在国内外尚无报道,在飞机、航天器和汽车等领域具有广阔的应用前景。自行设计制造了固体颗粒介质传压性能试验与测试装置;首次通过试验测得了固体颗粒介质的传压规律,给出了固体颗粒介质体积压缩率的幂指函数定律;建立了非均匀内压作用下的载荷模型:线性载荷模型和余弦载荷模型。对薄壁管受非均匀内压作用下,薄壁管的弹性加载进行了弹性力学分析,得到了薄壁管初始屈服时的变形及内力(应力)分布计算公式。设计出6种典型工件形状和模具结构;设计实施了试验测试方案,通过试验,试制出了合格典型工件。通过对各种典型工件的胀形,取得了大量试验数据,为本工艺的应用和理论分析提供了试验依据。通过管材固体颗粒介质成形的塑性理论研究,建立了薄壁管在非均匀内压作用下的变形模式;对薄壁管自由变形区应力、应变进行了深入全面分析,导出了自由变形区的应力应变和壁厚分布规律;对304不锈钢的计算值和试验实测值进行了对比。根据局部变形时圆角部分成形特性,提出了两种角部贴模计算模型来描述角部成形规律,即无摩擦条件下的滑动模型和摩擦条件下的滑动模型,并且给出薄壁管局部成形的角部贴模的内压计算公式。在理论上首次证明圆管在方形模具内胀形时,圆角半径存在最小值,也就是成形圆角半径不可能为零,并给出了理论计算公式。运用弹性理论和Swift分散性失稳理论以及Hill集中性失稳理论,建立了屈曲、起皱、破裂失稳的管材成形极限理论。首次给出了非均匀压力下,短管变形模式的破裂成形极限判据,打破了负应力比条件下,板材不可能产生失稳的结论。理论分析

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题背景
• 1.3 国内外发展概况及本课题的研究意义
• 1.3.1 内高压成形技术的国内外发展概况
• 1.3.2 管材内高压成形技术的研究进展
• 1.3.3 各种成形工艺比较
• 1.4 亟待解决的关键问题及主要研究内容
• 1.4.1 亟待解决的关键问题
• 1.4.2 主要研究内容
• 第2章 固体颗粒介质的传压性能试验研究
• 2.1 前言
• 2.2 固体颗粒介质传压性能试验
• 2.2.1 固体颗粒介质简介
• 2.2.2 固体颗粒介质传压性能试验与测试装置
• 2.2.3 固体颗粒介质传压性能试验结果分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 薄壁管在非均匀内压作用下的弹性力学分析
• 3.1 前言
• 3.2 基本假设
• 3.3 弹性力学分析
• 3.3.1 薄壁管受非均匀内压作用下的载荷模型
• 3.3.2 薄壁管受非均匀内压作用下的边界条件
• 3.3.3 薄壁管受非均匀内压作用下的挠度分析
• 3.4 薄壁管应力分布及其初始屈服
• 3.4.1 薄壁管端部内力
• 3.4.2 薄壁管应力计算结果及其分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 管材固体颗粒介质成形的塑性行为研究
• 4.1 前言
• 4.2 固体颗粒介质成形工艺力学分析
• 4.2.1 薄壁管胀形的几何参数
• 4.2.2 薄壁管变形模式
• 4.2.3 自由变形区应力、应变分析
• 4.2.4 顶点 C 应力、应变分析
• 4.2.5 自由变形区应力、应变状态分析
• 4.2.6 顶点 C 处应力求解
• 4.2.7 轴向压缩压头单位压力求解
• 4.2.8 自由变形区应力、应变求解
• 4.3 非均匀内压作用下,长管坯沿轴线方向的变形模式
• 4.4 角部贴模研究
• 4.4.1 滑动模型基本假设
• 4.4.2 无摩擦条件下的滑动模型
• 4.4.3 摩擦条件下的滑动模型
• 4.4.4 计算及试验结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 成形极限分析
• 5.1 前言
• 5.2 屈曲和起皱分析
• 5.2.1 薄壁管屈曲及起皱分析假设
• 5.2.2 薄壁管屈曲（全局屈曲）分析
• 5.2.3 薄壁管起皱（局部屈曲）分析
• 5.3 破裂分析
• 5.3.1 破裂分类及其微观机理
• 5.3.2 破裂失稳理论
• 5.3.3 短管坯变形模式下分散性失稳成形极限理论
• 5.4 破裂计算与分析
• 5.4.1 分散性失稳计算与分析
• 5.4.2 集中性失稳计算与分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 固体颗粒介质成形试验研究
• 6.1 管材成形工艺试验研究
• 6.1.1 典型工件形状
• 6.1.2 模具结构设计
• 6.1.3 参数测试系统及测试结果分析
• 6.2 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介