铝合金高筋整体壁板压弯成形建模与路径优化技术研究

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高筋整体壁板因其结构效率高、重量轻、刚性好等突出优点在现代飞机上得到日益广泛的应用。压弯成形具有模具成本低、生产周期短以及对外形曲率适应性强等特点，是制造高筋整体壁板的主要工艺方法。但是，目前压弯成形工艺完全依赖工人的实际经验，缺乏科学的理论指导，质量不易保证，直接制约我国新机研制与生产，成为飞机制造领域的重大技术关键。因此，开展高筋整体壁板成形技术的系统研究，具有重要的理论意义和实用价值。本文将理论分析、实验技术、有限元模拟和先进的优化算法相结合，对铝合金高筋整体壁板压弯成形过程的变形机理、筋条失稳与开裂预测、建模仿真以及成形路径优化等进行了系统深入的研究。针对具有整体壁板典型结构的不同截面形状的试件，应用理论分析的方法分别对弹性变形区与塑性变形区的应力应变进行了详细推导，分析了压弯成形的基本原理，得出了试件弹、塑性变形区域的分界位置。针对对称形状截面试件和非对称形状截面试件的各自特征，得到了压弯过程中弯曲中性层的平移量和转动量。建立了回弹的计算模型，得出上模下压量与回弹量的关系表达式。研制了一套带有回弹测量装置的压弯模具，进行了单筋条和多筋条整体壁板试件的压弯成形试验，获得了成形与回弹全过程的载荷及位移数据。进行了整体壁板试件压弯成形有限元建模与仿真，并与试验结果吻合良好，验证了所提出的压弯成形有限元建模方法的可靠性。同时，详细分析了压弯成形过程中试件不同部位的应力应变的变化过程，深入探讨了高筋整体壁板压弯成形中材料的受力状态与变形规律。通过受力分析、变形的应变能和外力功的推导，应用能量法得出了单筋条试件和多筋条试件发生失稳的临界载荷；同时，选择在金属成形领域得到成功应用的一系列韧性断裂准则，基于不同试件的拉伸试验及有限元模拟，获得了韧性断裂准则的参数，进而将各准则嵌入ABAQUS软件中，通过压裂试验与多种韧性断裂准则有限元模拟预测结果的对比分析，确定了适合于高筋整体壁板压弯成形的断裂预测准则。基于高筋整体壁板形状复杂且为多道次成形等特点，提出了建立塑性等效板以提高有限元计算效率的方法。通过力学推导，建立了虚拟材料模型，提出了整体壁板压弯成形有限元等效模型。进行了整体壁板完整模型、等效模型与实际试验的相互印证，结果表明，等效模型具有较高的精度，大幅度减少计算时间，可有效地解决高筋整体壁板多道次压弯成形工艺优化的有限元计算效率题目。通过提取壁板零件有限元分析结果文件的外侧点云坐标，并导入CAD软件进行曲面重构与曲率分析，提出了一个基于目标型面曲率分析确定压弯位置的方法及相应的设计原则。形成了一套综合应用有限元等效模型、正交试验设计、人工神经网络和遗传算法的集成化的整体壁板压弯成形路径优化方法，并应用于单曲率和复杂双曲率外形整体壁板的压弯路径优化，相对应的压弯试验及仿真结果表明，本文提出的集成化的优化方法具有优化效果好、优化速度快等特点，并且得出的壁板外形尺寸精度高、表面质量好、未出现成形缺陷。

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