铝合金折叠夹芯结构冲压成形工艺及压缩性能

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航天、航空飞行器和高速列车等高速交通运输工具对结构的质量非常敏感,重量减轻,可明显提高飞行器的载重能力和动力性能,降低燃料消耗,因此具有高比强度和高比刚度的夹芯结构得到了广泛应用。折叠夹芯结构具有开放的单元,能够克服蜂窝夹芯结构吸水后不易排出的缺点,但其形状复杂,成形困难,尤其是相对较厚的轻质金属薄板,因此探究轻质金属薄板折叠夹芯结构的成形工艺具有重要意义。本文选用5052铝合金板料,探究了折叠夹芯结构的冲压成形工艺及其压缩性能。为更好的分析材料在不同冲压工艺参数下的冲压性能,优化工艺参数,首先通过室温和高温拉伸实验,确定材料在不同温度,不同应变率状态下的拉伸性能。实验发现,随着温度的升高,5052铝合金变形抗力减小,且材料有明显的应变和应变率硬化效应。由实验得到的不同温度和应变率下的应力-应变曲线,求得5052铝合金的热拉伸Fields-Backofen本构方程,并在此基础上加软化项对其修正,为后面冲压成形等相关的数值模拟提供了材料参数。通过冷冲压和热冲压探究了冲压速度,板材厚度,板材尺寸,板材的初始冲压温度对折叠结构冲压成形质量的影响。冷冲压时,在研究的四种不同厚度板材中,0.3mm和0.5mm厚的板材表现出较好的成形质量。四种冲压速度中, 1mm/min时板材的减薄率最小。为一次成形尽可能多的单元,实验分别在长度和宽度方向上扩展单元数量,结果发现宽度方向扩展单元更容易成形。热冲压时,提高铝合金板材的初始成形温度对冲压结果有明显改善,400~500℃是较为合理的成形温度区间。较高和较低的冲压速度均不利于折叠结构的热冲压成形。然后论文通过有限元软件Dynaform对冷热冲压过程进行了模拟,分析了板料成形过程中的厚度分布、应力状态以及温度场,并评估了不同几何参数对其工艺性的影响。发现在热成形中,冷冲压时易出现破裂失效的部位温度降低最快,变形抗力增大,使得变形区转移,板料成形更均匀。对成形样件进行了准静态压缩试验,探究了折叠夹芯结构的压缩性能。实验证明,冲压成形得到的折叠夹芯结构是一种有效的吸能结构。压缩过程经历了三个阶段:a)压力迅速上升的弹性变形阶段;b)屈曲失稳后,稳定塑性变形的压溃阶段;c)压实后压力又开始迅速上升的密实化阶段。压缩过程中,结构的失效主要是屈曲失稳和塑性铰的形成。最后通过有限元Abaqus莫拟分析了不同几何参数对折叠结构压缩性能的影响,随着单元边长,半开角,侧开角的增大,结构的平均压皱强度降低。
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