[发明专利]一种基于局部加载成形筋板件预制坯的优化方法

摘要

一种基于局部加载成形筋板件预制坯的优化方法，通过控制过渡区的材料流动和宏观缺陷以实现等温局部加载成形。本发明所优化设计的预制坯，可有效改善材料流动的均匀性，减少过渡区内跨筋的横向材料流动，提高筋型腔的充填能力。在工程运用上，改善了构件的使用性能，降低了生产成本，为实现钛合金大型复杂构件的成形一体化制造奠定基础。

主权项

一种基于局部加载成形筋板件预制坯的优化方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，提取过渡区几何结构；步骤2，设计初始预制坯；初始预制坯采用等厚坯料；坯料在水平面内的投影形状等于过渡区几何结构的投影面积；步骤3，建立有限元模型：所建立的有限元模型包括组合模具与初始预制坯的几何外形、初始预制坯与组合模具之间的摩擦因子、上模的下压速度及压下量、初始预制坯和组合模具的温度；所述的构件中横向筋宽度方向的中心线为对称面，对该对称面一侧进行模拟仿真；模具采用现有技术中的组合模具，局部加载分区位置位于下模，在第一分块下模的下表面放置垫板，使第一分块下模向上突出，初始预制坯放置于上模与突出的第一分块下模之间；步骤4，局部加载成形：所述局部加载成形有两个加载步：第一加载步：将初始预制坯与组合模具一起置于加热炉中均速加热至970℃并保温1.5h；当上模压下时，所述的第一分块下模对初始预制坯施加载荷；上模行程结束后，保压10min；随后，压力机的冲头回程，完成第一加载步；所述上模的加载速度v为0.2mm/s，初始预制坯和组合模具之间的摩擦因子m为0.5；第二加载步：撤去垫板，使所述第一分块下模的下表面与所述第二分块下模的下表面处于同一水平面；将初始预制坯经过第一加载步成形后的工件与组合模具一起置于加热炉中均速加热至970℃并保温1.5h；启动压力机对工件进行第二加载步的加载成形；当上模压下时，所述的第二分块下模对工件施加载荷；上模行程结束后保压10min，随后压力机的冲头回程，完成第二加载步；所述上模的加载速度v为0.2mm/s，经过第一加载步成形后的工件和各分块模具之间的摩擦因子m为0.5；步骤5，观察初始预制坯成形后的充填和折叠情况：通过观察初始预制坯成形后的充填和折叠情况，以获得不产生折叠的最大材料转移率；两个加载步结束后，通过所述的初始预制坯模拟后的成形结果观察充填和折叠情况；观察折叠情况：位于所述先加载区内紧邻分区筋的腹板处产生了折叠缺陷。首先获得不产生折叠时初始预制坯压入该腹板的压入量Ie：Ie＝He‑T2  (1)T2为所述先加载区内紧邻分区筋腹板的厚度；该先加载区内紧邻分区筋腹板的厚度随所述压入量Ie的变化而变化，且压入量Ie的减少量与第三腹板厚度T2的增加量相同；将得到的Ie的初始值减小，并根据Ie的变化调整第三腹板厚度T2；重复步骤3的局部加载成形过程，观察第三腹板处折叠是否产生；如若折叠依然产生，将压入量Ie初始值再次减小，并同时调整第三腹板厚度T2，直至观察到不产生折叠为止；所述压入量Ie初始值每次减小的值为0.1mm；通过公式(2)得到材料转移率Mt：Mt＝[(Vf‑Vn)/Veigen]*100     (2)式中：Vf为第一加载步成形后，位于先加载区内的初始材料体积；Vf为第二加载步成形过程中，材料由后加载区转移至先加载区后，该材料的体积；根据得到的材料转移率Mt确定判断折叠缺陷的临界值Ct：Ct＝α*Mt      (3)所述的Ct＝αMt；α为为安全系数，取值范围为0.95≤α＜1；据此，Ct作为预制坯优化设计的约束条件，以避免过渡区的折叠缺陷；在充填方面，所述的初始预制坯经过两个加载步成形后，发现未充满区域；为了定量分析出材料的充填情况，采用某根筋充满时刻下的未充填率Фu：Фu＝[(Veigen‑Vactual)/Veigen]*100     (4)式中：Veigen为过渡区几何结构的总体积，Vactual为过渡区内某根筋充满后，减去剩余压下量所需材料的体积；步骤6，预制坯的几何外形设计：所述预制坯被划分成三个区域，分别为不等厚坯料第一区域、不等厚坯料第二区域、不等厚坯料第三区域，每个区域的厚度有所不同，分别为H1，H2和H3；各区域的宽度由lleft和lright所调节，其中，lleft为第二纵向筋的中心线至所述的不等厚坯料第一区域的长度、lright为所述的第二纵向筋的中心线至所述的不等厚坯料第三区域的长度，lleft与lright之和等于所述的不等厚坯料第二区域的宽度；不等厚坯料的变厚度区采用倒角过渡，其过渡条件定义为：Rb＝△l/△H    (5)式中：△l为倒角的长度，△H为变厚区的厚度差；根据推荐值；根据体积不变原理，H2作为因变值以确保体积恒定不变，通过改变H1，H3，lleft和lright四个数值，以此改变预制坯的初始体积分配；采用Box‑Behnken design实验设计方法，得出不同初始材料分配下的不等厚坯料的几何参数组合；把所设计出的不等厚坯料替换有限元模型中的初始预制坯5；重复步骤2的局部加载成形过程；局部加载成形结束后，获得相应坯料下的公式(4)和公式(5)中的材料转移率Mt和未充填率Фu的结果；步骤7，建立响应面模型：依据步骤6的计算结果，采用二阶多项式并结合逐步回归法，剔除对成形结果不显著的因素，建立Фu的响应面模型和Mt的响应面模型；步骤8，预制坯优化：以公式(3)中的Ct为约束条件，以某根筋充满时刻的筋型腔未充填率Фu为优化目标，构造优化设计的数学模型；基于Mt的RSM模型，以步骤4获得的最大材料转移率为约束条件，获得在不产生折叠条件下，预制坯形状的所有尺寸参数组合；，在上述的参数组合中，基于Фu的RSM模型，采用非线性规划方法，分别得到H1、H2、H3、Lleft和Lright的值，即可获得相应优化预制坯的几何形状和相应面模型所预测的材料转移率Mt和未充填率Фu；步骤9，验证：采用模拟验证和实验验证分别验证优化结果的准确性及可靠性；所述的模拟验证是：以所优化的预制坯替换所述有限元模型中的初始预制坯；重复步骤2的局部加载成形过程；两个加载步的成形结束后，若模拟得到的材料转移率Mt小于所述不产生折叠的临界值，则证明优化结果可靠；若模拟得到的未充填率与预测的未充填率Фu的差值≤10％，则证明Фu的响应面模型及优化结果可靠；至此，完成基于局部加载成形筋板件预制坯的优化过程。