铝合金扇形交叉筋壁板激光热诱导锥面成形扫描策略研究

发布时间：2020-08-13 17:56

【摘要】：铝合金交叉筋壁板具有质量轻、强度高、抗疲劳性能好的特点,在航空航天领域被广泛采用。由于其特殊的交叉筋结构,应用传统方法成形存在周期长、回弹严重、加强筋断裂的问题。本文采用激光热诱导成形法,对扇形铝合金交叉筋壁板进行锥面成形研究。本文首先模拟实际加工环境,结合热力耦合相关理论,建立了激光热诱导成形有限元模型。通过仿真得到单道扫描温度场、位移场和应变应力场分布的规律,分析了扇形交叉筋成形的特点。通过试验验证了仿真结果的正确性,为后续扫描策略的研究奠定了基础。为了减小单道扫描出现的非期望变形,本文还对扇形交叉筋壁板成形锥面的扫描策略进行了仿真研究。为提高扫描线变形的一致性,使不同位置变形协同,提出了变功率扫描策略、两端多次扫描策略和综合扫描策略,通过仿真分析比较了各种扫描策略对提高扫描线变形一致性的效果。为抑制自由端的边缘效应,分析了扫描速度、激光功率和扫描次数对边缘效应的影响,得到了抑制边缘效应的扫描策略,通过试验进行了验证。对多条扫描线成形过程中出现的板材整体扭曲现象进行了有限元分析,提出一种校正扭曲板材的扫描策略,并在试验中得到了验证。本文基于上述仿真和试验得出的结论,进行了扇形交叉筋壁板锥面成形试验。根据锥面几何特点,算出成形的弯曲角度和z向位移变化,确定了锥面整体成形的扫描路径。进行了2×2网格扇形交叉筋壁板的锥面成形试验,并分析了成形误差,验证了锥面成形整体扫描策略的合理性。将这种扫描策略复制到6×7网格扇形交叉筋壁板的锥面成形中,并进行扫描参数的修正,得到了精度较高的锥面交叉筋壁板。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V252.2
【图文】：

示意图,激光成形,机理,示意图

1.3 国内外研究现状1986 年，日本学者 Namba Y 发现激光作用于材料表面会产生弯果，并设想将这种方法在地面上发射激光照射到太空中的舱体上，使之圆柱形结构[7]。随后，各国学者对成形机理、成形规律、扫描策略、成等方面做了大量的研究，研究方法从最开始的试验分析转化为数值仿真试验结合，成形曲面的复杂程度也随之增加。Vollertsen F 和 M.Geiger 等学者对激光成形机理进行了大量的研究，激光成形的三种机理：弯曲机理（温度梯度机理）、屈曲机理、增厚机如图 1-1。根据扫描速度、板材厚度和光斑尺寸不同，成形过程表现为理。当速度较大、光斑尺寸较小时，上下表面温度梯度大，弯曲程度不这时主要表现为弯曲机理，板材朝着激光源的方向弯曲。当光斑尺寸大较低时，主要表现为皱曲机理，板材产生背向激光源的反向弯曲[9]。当寸小、速度低、板材厚度很小时，增厚机理占据主导地位，温度传递到的时间较短，上下表面的温度梯度很小，变形量相近，无法产生弯曲效下表面材料均在厚度方向堆积。

曲线,烧蚀现象

图 1-2 烧蚀现象图 1-3 水冷和风冷的成形结果Lambiase 等[21]将温度和应力置于一个封闭环中定义一个解析模型，充分考虑热传导率对加热区温度的影响，这种模型适合温度梯度机理，并且在扫描速度非常低的情况下仍被证明是有效的。Eideh 等[22]根据弹塑性理论，对激光热诱导成形的有限元模型进行了简化，在模型建立过程中，他考虑了温度对材料物理性能的影响，同时对边界条件作了合理的简化。该模型运算效率较高，能在很短时间内得到温度场和应力应变场的分布。但通过实验发现，该模型只适合特定情况下的仿真，在某些试验过程中则误差较大。Hennige 等[23]在成形一种碗状形状时，将扫描路径设置为径向和周向。周向扫描路径是一系列同心圆，径向扫描路径时三中不同长度的线，三种长度的线有规律的间隔排布。在成形过程中，先沿着圆周方向扫描，其目的是构造碗形基本形状，使后续扫描过程中不出现翘曲现象，随后，沿着半径方向进行扫描，依次对三种长度的路径进行扫描。通过这两种扫描路径的结合，最后得到了一种三维多曲率碗状结构，如图 1-4。此外，他还对扫描线为直线和曲线时板材的弯曲角度进行了比较，发现扫描线为曲线时，单次弯曲角度和成形最大角度都有所减小。

曲线,和风,成形

【参考文献】