超塑性成形／擴(kuò)散連接空心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析

劉鵬程，陳建平，王 斌

（1.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2.航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京100074）

超塑性成形／擴(kuò)散連接空心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析

劉鵬程1，陳建平1，王 斌2

（1.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2.航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京100074）

為研究超塑性成形／擴(kuò)散連接組合工藝制備的鈦合金四層結(jié)構(gòu)中芯層結(jié)構(gòu)、芯層和蒙皮的擴(kuò)散連接面積比率及芯層之間的擴(kuò)散連接率對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的影響規(guī)律，采用FEM分析了不同芯層結(jié)構(gòu)、直筋數(shù)量及工藝參數(shù)條件下的多層結(jié)構(gòu)零件強(qiáng)度、剛度變化規(guī)律，并重點(diǎn)研究了0.5 H／L和延伸率等關(guān)鍵因素的最佳取值區(qū)間。結(jié)果表明：超塑性成形／擴(kuò)散連接四層結(jié)構(gòu)件的芯層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)強(qiáng)度和剛度影響較大，控制0.5 H／L值及芯層延伸率，可以使強(qiáng)度剛度均達(dá)到最高，最大限度地發(fā)揮四層結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，兩相鄰芯層在脹起時(shí)形成的圓角半徑大小對(duì)芯層之間及芯層和蒙皮的擴(kuò)散連接焊合率有很大影響，進(jìn)而影響多層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。

超塑性成形；擴(kuò)散連接；擴(kuò)散連接率；芯層結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)飛行器結(jié)構(gòu)件采用鉚接、螺接、膠接和焊接等方法將許多“片片”、“條條”和“塊塊”連接起來(lái)，成為完整的結(jié)構(gòu)件，這些結(jié)構(gòu)件通常由幾個(gè)或幾十個(gè)，甚至幾百個(gè)零件組成，因而制造周期長(zhǎng)、手工勞動(dòng)量大、成本高。利用超塑性成形／擴(kuò)散連接組合工藝制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其整體性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、剛性大且重量輕，是典型的輕量化整體結(jié)構(gòu)［1－3］。現(xiàn)已分別研制出單層板的口蓋，雙層板的艙門等大量結(jié)構(gòu)件。而在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是三層和四層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了鈦合金材料超塑性和擴(kuò)散連接性能優(yōu)勢(shì)和工藝一體化特性，具有制造成本低，成形件結(jié)構(gòu)重量輕等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)相比，可以減重約20%～40%，降低制造成本約20%～50%［4－7］。美國(guó)在20世紀(jì)80年代中期為T38飛機(jī)制造了三層結(jié)構(gòu)的主起落架艙門，英國(guó)IEP公司為A310，A320飛機(jī)研制的機(jī)翼維護(hù)口蓋以及法國(guó)達(dá)索公司生產(chǎn)的縫翼都采用了四層結(jié)構(gòu)［1］。

筆者研究的鈦合金四層結(jié)構(gòu)主要作為翼類零件使用，用鈦合金板材超塑性成形／擴(kuò)散連接組合工藝制備而成，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。作為舵翼結(jié)構(gòu)件使用，該結(jié)構(gòu)必須能夠承受抗彎、抗沖擊、抗熱震顫等外界作用。而對(duì)于四層超塑性成形／擴(kuò)散連接結(jié)構(gòu)，影響其強(qiáng)度、剛度因素來(lái)自2方面：其一是設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定的，即強(qiáng)度、剛度取決與采用什么樣的芯層結(jié)構(gòu)；其二是由成形工藝決定的，成形工藝中影響強(qiáng)度的主要因素是芯層和蒙皮的擴(kuò)散連接面積比率，芯層之間的擴(kuò)散連接率。筆者主要是通過(guò)有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與芯層和蒙皮的擴(kuò)散連接比率對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的影響。

圖1 超塑性成形／擴(kuò)散連接多層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件Fig.1 Specimen of superplastic and diffusion bongding

1 超塑性成形／擴(kuò)散連接工藝介紹及術(shù)語(yǔ)描述

四層結(jié)構(gòu)超塑性成形／擴(kuò)散連接工藝可分為2個(gè)步驟，先是內(nèi)層的擴(kuò)散連接，同時(shí)外層的超塑性成形，然后是內(nèi)層超塑性成形以及內(nèi)層和外層的擴(kuò)散連接，其工藝過(guò)程：坯料制備—坯料表面處理—制備芯層結(jié)構(gòu)—封焊—進(jìn)爐加熱升溫—外層進(jìn)氣—內(nèi)層進(jìn)氣，如圖2所示。

圖2 成形工藝原理圖Fig.2 Principle of superplaseic and diffusion bongding processing

本文所涉及術(shù)語(yǔ)描述如下：擴(kuò)散連接面積率是指蒙皮和芯層已擴(kuò)散部分面積和總面積的比值；芯層是指四層結(jié)構(gòu)的中間2層；蒙皮是指四層結(jié)構(gòu)的外面2層板（如圖2所示）；橫筋是指相當(dāng)于傳統(tǒng)蒙皮骨架結(jié)構(gòu)的翼肋，平行于彈身軸線（x方向）（如圖3所示）；直筋是指相當(dāng)于傳統(tǒng)蒙皮骨架結(jié)構(gòu)的翼梁，一般垂直于彈身軸線或成放射狀（如圖3所示）。

2 芯層結(jié)構(gòu)形式對(duì)強(qiáng)度影響

在零件要求總質(zhì)量一定情況下，對(duì)板材厚度的選擇也基本確定，板厚一定時(shí)，采用什么樣的芯層結(jié)構(gòu)以及排布形式對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度影響很大，目前常采用的結(jié)構(gòu)有直泡結(jié)構(gòu)，密集方泡結(jié)構(gòu)，六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)等。

在抗彎狀態(tài)下翼梁（直筋）主要傳遞y方向的彎矩，翼肋并不傳遞y方向的彎矩，因此翼類零件的整體抗彎強(qiáng)度和剛度主要取決于直筋的排布［2］，筆者僅就直筋的設(shè)計(jì)來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行模擬。從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，希望直筋的數(shù)目越多越好，直筋數(shù)目越多其支撐效果越好，其強(qiáng)度和剛度越高。然而，由于超塑性成形／擴(kuò)散連接工藝的特殊性，成形過(guò)程中其芯層在超塑性成形時(shí)由于拉伸變形而厚度變薄。從成形工藝考慮當(dāng)直筋數(shù)目越多，芯層變形量越大，減薄也就越厲害，容易在芯層超塑性成形時(shí)吹破，因此必須設(shè)計(jì)合理的直筋數(shù)目，使得成形時(shí)芯層不至于超出其變形極限。從材料力學(xué)角度考慮，由于芯層減薄，使得s值、w值都減小，不利于承力，如圖4所示。因此，直筋數(shù)目越多并不一定提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，所以對(duì)于超塑性成形／擴(kuò)散連接結(jié)構(gòu)件不能一味追求支撐筋的數(shù)目來(lái)提高強(qiáng)度和剛度。

圖3 四層結(jié)構(gòu)的芯層示意圖Fig.3 Core sketch of superplastic forming／diffusion bonding structure

在零件總寬度和總高度一定時(shí)，H為一定值，直筋數(shù)目隨L值變化，L越大，直筋數(shù)目越少。在零件高度一定時(shí)，s1的值是恒定的，s的大小主要取決與s2，s2又取決于芯層的變形減薄程度，s2減小導(dǎo)致s值減小，整個(gè)承力結(jié)構(gòu)件的蒙皮承力厚度減小，反而不利于強(qiáng)度和剛度提高。因此，直筋數(shù)量增加和s的減小是一對(duì)矛盾，必須設(shè)計(jì)合理的芯層結(jié)構(gòu)使得0.5 H／L得到最佳比例，才能發(fā)揮四層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的優(yōu)勢(shì)。有限元數(shù)值模擬在航空航天工業(yè)的板料超塑性成形中應(yīng)用廣泛［8］，與工藝實(shí)驗(yàn)相比，它不僅節(jié)約費(fèi)用，而且能提供直接的信息和引導(dǎo)，從而減少實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，有時(shí)甚至能越過(guò)試探性的實(shí)驗(yàn)［9－11］。有限元數(shù)值模擬已經(jīng)成為超塑性成形工藝設(shè)計(jì)中減少工藝開發(fā)時(shí)間、改善工件成形質(zhì)量的非常必要的方法［12－14］。通過(guò)有限元數(shù)值模擬來(lái)分析0.5 H／L最佳比值。

模擬計(jì)算中，設(shè)計(jì)零件總高度為60 mm，也就是H＋2s2＝60 mm，零件總長(zhǎng)度、寬度均為400 mm，如圖5所示。計(jì)算芯層減薄時(shí)假設(shè)芯層均勻減薄，不考慮芯層和蒙皮擴(kuò)散連接時(shí)的摩擦影響，材料選用板厚為1.5 mm的BT20鈦合金板材，其質(zhì)量密度為4.45 kg／cm3，泊松比為0.34，彈性模量為118 GPa。

圖4 四層結(jié)構(gòu)內(nèi)部示意圖Fig.4 Inner sketch of four sheet SPF／DB structure

圖5 模擬計(jì)算零件模具圖Fig.5 Two dimension sketch of moding die

根據(jù)體積不變，可計(jì)算出蒙皮變形后的厚度為1.329 mm，芯層變薄需根據(jù)設(shè)計(jì)的直筋的數(shù)目來(lái)計(jì)算，分別設(shè)計(jì)直筋的數(shù)目為9，10，11，12，13，14，15，16，有限元分析時(shí)，在結(jié)構(gòu)件的某面上施加1.0 MPa的均布?jí)毫Γ欢斯潭?，類似懸臂梁結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為11 185個(gè)，網(wǎng)格數(shù)目為1 752個(gè)。

表1 不同芯層結(jié)構(gòu)的芯層板厚變化及有限元分析結(jié)果Tab.1 Result of FEM for different thickness according to different core struture

圖6 0.5 H／L-剛度位移和mises應(yīng)力曲線Fig.6 Curve on 0.5 H／L-stiff displacement and mises stress

計(jì)算結(jié)果如表1所示，圖6為剛度變化趨勢(shì)曲線。從圖6和表1可看出在0.5 H／L接近于1，芯層延伸率為200%左右時(shí)，才能最好發(fā)揮四層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度綜合優(yōu)勢(shì)。為了驗(yàn)證以上結(jié)果是否能作為一般規(guī)律，設(shè)計(jì)了其他結(jié)構(gòu)形式，分別近似取0.5 H／L為0.8，1.0和1.2，零件尺寸為300 mm×300 mm×40 mm，芯層和蒙皮均采用板材厚度選用1.2 mm的鈦合金，加載方式和前面相同。通過(guò)計(jì)算，蒙皮厚度變形為1.073 mm，0.5 H值為18.963，考慮的芯層泡為整數(shù)，分別設(shè)計(jì)為11，15，18根直筋，不同芯層結(jié)構(gòu)變形規(guī)律如表2所示。結(jié)果證明，在0.5 H／L接近于1，芯層延伸率為200%左右時(shí) ，四層結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度均達(dá)到最高，是最理想的組合。

表2 不同芯層結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果Tab.2 Result of different structure

對(duì)于以上結(jié)果可從材料力學(xué)角度加以分析，翼面在承受彎曲載荷時(shí)，可簡(jiǎn)化為懸臂梁，對(duì)于單根直筋可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為工字梁，其抗彎強(qiáng)度和剛度主要取決于抗彎截面模量，而抗彎截面模量取決于橫截面積和高度。實(shí)際上，由于彎曲正應(yīng)力沿截面高度按直線規(guī)律分布，當(dāng)離中心軸最遠(yuǎn)處的正應(yīng)力達(dá)到許用應(yīng)力時(shí)，中性軸附近各點(diǎn)處的正應(yīng)力仍很小，而且，由于其離中性軸近，力臂小，承擔(dān)的彎矩也很?。?］。所以，將較多的材料放置在遠(yuǎn)離中性軸的部位，必然會(huì)提高材料的利用率，從這個(gè)角度考慮，在設(shè)計(jì)芯層時(shí)不能只追求直筋數(shù)目，因?yàn)橹苯顢?shù)目越多，芯層變薄越大，蒙皮處堆積的材料越少，不利于抗彎曲。

3 芯層和蒙皮擴(kuò)散連接率對(duì)強(qiáng)度和剛度的影響

擴(kuò)散連接面積的大小主要取決于芯層在超塑成形時(shí)圓角半徑R的大小，圓角半徑越大擴(kuò)散連接面積越小，圓角半徑越小，擴(kuò)散連接面積越大，當(dāng)R趨于零時(shí)，擴(kuò)散連接面積趨于100%（如圖7所示）。一般來(lái)說(shuō)在超塑性成形過(guò)程中芯層和蒙皮貼合時(shí)圓角半徑大小很難控制，尤其是對(duì)于指定的圓角半徑，通過(guò)摸索工藝參數(shù)來(lái)控制圓角半徑將很難做到，而且摸索工藝參數(shù)的試驗(yàn)成本非常昂貴。筆者旨在通過(guò)有限元數(shù)值模擬計(jì)算分析圓角半徑對(duì)抗彎剛度和抗彎強(qiáng)度影響，并分析其影響規(guī)律。分析過(guò)程中取前面400 mm×60 mm零件進(jìn)行分析，板材厚度為1.5 mm，設(shè)計(jì)芯層結(jié)構(gòu)為13個(gè)泡狀結(jié)構(gòu)，變形后蒙皮厚度為1.329 mm，芯層厚度可根據(jù)圓角半徑大小計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3，關(guān)系曲線圖8所示。

表3 擴(kuò)散連接率和強(qiáng)度、剛度對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.3 Effect of diffusion bonding area ration on mises stress and stiff

圖7 圓角半徑大小對(duì)強(qiáng)度影響Fig.7 Effect on the radius of core sheet

由以上分析可看出隨著擴(kuò)散連接面積率升高，剛度有升高的趨勢(shì)，但剛度的變化不明顯，而通過(guò)mises應(yīng)力反應(yīng)出來(lái)的強(qiáng)度指標(biāo)并不表現(xiàn)出相同的規(guī)律，其強(qiáng)度值在擴(kuò)散連接面積率為85%左右時(shí)最高，在擴(kuò)散連接面積率100%時(shí)，其剛度值最高，其mises應(yīng)力并不是最小，而是隨擴(kuò)散連接面積率先增加后減小，在85%左右mises應(yīng)力值最小。綜合考慮mises應(yīng)力和剛度位移因素，控制擴(kuò)散連接面積率在85%左右時(shí)比較合適。在成形工藝過(guò)程中，控制圓角半徑大小十分困難，通過(guò)摸索工藝參數(shù)來(lái)控制擴(kuò)散連接面積率時(shí)成本也很難實(shí)現(xiàn)，成本也會(huì)很高。以上分析并不是為在工藝中如何控制參數(shù)而達(dá)到控制擴(kuò)散連接面積率的目的，而是為超塑性成形／擴(kuò)散連接四層結(jié)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)提供判據(jù)，四層結(jié)構(gòu)超塑性成形／擴(kuò)散連接結(jié)構(gòu)件芯層和蒙皮擴(kuò)散連接的無(wú)損檢測(cè)是產(chǎn)品交付前必須檢測(cè)的項(xiàng)目，芯層和蒙皮擴(kuò)散面積率檢測(cè)一般用超聲反射法，其檢測(cè)圖片中焊合區(qū)和未焊合區(qū)灰度有明顯差別，未焊合區(qū)出現(xiàn)在圖7所示的圓角半徑區(qū)，在超聲檢測(cè)時(shí)形成灰度較淺的區(qū)域，如圖9所示。因此，在制定芯層和蒙皮擴(kuò)散連接檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范時(shí)可認(rèn)為擴(kuò)散連接面積率達(dá)到85%，就認(rèn)為該項(xiàng)目檢測(cè)合格。

圖8 擴(kuò)散連接面積率和強(qiáng)度剛度關(guān)系Fig.8 Effect of diffusion bonding area ration on mises strees and stif

通過(guò)設(shè)計(jì)和計(jì)算其他結(jié)構(gòu)驗(yàn)證上述研究結(jié)果，其計(jì)算結(jié)果和上述結(jié)論一致。分析原因可能是由于兩圓角形成的支撐作用，而且圓角可減小應(yīng)力集中，提高了整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。當(dāng)圓角半徑太小容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，圓角半徑太大，擴(kuò)散連接面積不夠，中間加強(qiáng)筋支撐效果不明顯，所以其強(qiáng)度也降低。而剛度值主要受截面形狀影響，擴(kuò)散連接面積越大，蒙皮處集中材料越多，蒙皮整體性越好，所以其剛度值隨擴(kuò)散連接面積率增大而增大。

4 結(jié) 論

1）超塑性成形／擴(kuò)散連接四層結(jié)構(gòu)件其芯層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)強(qiáng)度和剛度影響較大，控制0.5 H／L接近于1，芯層延伸率為200%左右時(shí)，四層結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度均達(dá)到最高，是最理想的組合，能最好發(fā)揮四層結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和剛度的優(yōu)勢(shì)。

2）超塑性成形／擴(kuò)散連接四層結(jié)構(gòu)在芯層超塑性成形時(shí)，兩相鄰芯層在脹起時(shí)必定會(huì)形成圓角，圓角半徑大小影響著擴(kuò)散連接焊合率，從而影響強(qiáng)度和剛度，擴(kuò)散連接面積率越高剛度越高，而其最大mises應(yīng)力在擴(kuò)散連接面積率為85%左右達(dá)到最低。

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Design and strength analysis of superplastic forming／diffusion bonding hollow panel structure by FEM

LIU Peng-cheng1，CHEN Jian-ping1，WANG Bin2
（1.Mechanical Engineering College，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China；2.Aerospace Research Institute of Special Material and Processing Technology，Beijing 100074，China）

In order to study the influence of the structure of core sheet，the ratio of the diffusion bonding area between the core layer and cover layer，and the ratio of diffusion bonding area between core sheets on the strength of multi-layer structure fabricated by superplastic forming／diffusion bonding process，F(xiàn)EM is used to analyze the rigidity and strength of different parts with different structures of core sheet and process parameters.In the research emphasis is put on two critical factors：0.5 H／L and the elongation.The results show that the structure of core has greater influence on the rigidity and strength of multi-layer titanium hollow panel structure and the controlling of the value of 0.5 H／L and elongation can realize maximal rigidity and strength，which maximize the overall advantages of multi-layer structure.Meanwhile，the radius of corner between the two near core sheets have greater influence on the ratio of diffusion bonding area between core sheet and cover sheet and two near core sheets，thereby affecting the strength and rigidity of multi-layer structure.

superplastic forming；diffusion bonding；ratio of diffusion bonding；structure of core layers

TG146

A

1008-1542（2011）05-0435-06

2011-04-15；

2011-08-20；責(zé)任編輯:張 軍

天津市2010年重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（10JCZDJC23300）

劉鵬程（1975-），男，天津人，助理工程師，碩士，主要從事機(jī)械制造及其自動(dòng)化方面的研究。