复杂边界条件下薄壁件塑性成形失稳起皱预测

摘要

薄壁件是航空、航天和汽车等高端装备领域越来越广泛需要的关键高性能轻量化构件之一。如何准确预测复杂边界条件下的塑性失稳起皱现象，从而实现薄壁件精确塑性成形、并提高其成形极限和成形质量一直是该领域研究的焦点与基础性难题。而现有的理论解析和数值模拟方法均极难解决这一问题。为此，本文提出引入微缺陷的理论解析-有限元数值模拟相结合的方法，并以典型复杂边界条件下板、管成形过程为研究对象，对复杂边界条件下薄壁件塑性成形失稳起皱预测问题进行了系统地研究。
　　从两端受压矩形薄板失稳的简单边界条件出发，依次增加边界条件的复杂性，系统对比研究了静力平衡法、铁木辛柯能量法、特征值屈曲分析法、隐式和显式有限元算法在起皱预测方面的特点和适用性。结果表明：静力平衡法和能量法可快速计算出均布和线性分布压缩载荷边界条件下的结构失稳临界条件和失稳挠度函数；特征值屈曲分析法极难处理材料非线性的塑性变形行为，但可用来估计结构固有屈曲模态；隐式有限元算法可考虑材料非线性，但受算法收敛性限制极难处理复杂接触边界条件问题；显式算法虽无收敛性限制可处理边界非线性问题，但该算法不能检测失稳分叉点。为此，以唐奈初始缺陷理论为基础，结合显式有限元数值模拟，提出了引入几何微缺陷预测起皱的解析-有限元数值模拟相结合方法，使得精确预测复杂边界条件下薄壁件塑性成形失稳起皱成为可能。
　　分别基于静力平衡法、能量法和特征值屈曲分析法，初步设计构造了能等效反映对失稳影响的薄壁板、管件几何微缺陷模型；为使结构从失稳前的平衡基本路径过渡到分叉路径上，设计了微缺陷“嵌入”方法，即将结构固有失稳屈曲模态乘以一个常数作为结构缺陷“嵌入”结构的理想网格，从而使得结构失稳后屈曲路径容易沿着分叉路径进行；在此基础上，提出了选取合理微缺陷的策略，即通过低阶至高阶的屈曲模态遍历来设计几何微缺陷形状，通过缩放因子变化来调节几何微缺陷幅值，使得构件失稳变形能最小以实现合理几何微缺陷的有效获取。
　　针对不均匀压下薄板面内弯曲过程会发生多失稳模式的预测难题，由三边简支一边自由和一边简支三边自由矩形板压缩失稳模型出发，分别通过静力平衡法和特征值屈曲分析法求得薄板失稳时的挠度函数和屈曲模态，再将挠度函数或屈曲模态作为几何微缺陷嵌入到显式有限元模型中；结合实验研究表明，相比于理想网格有限元模型，本文提出的失稳预测模型能实现外缘起皱、内缘起皱、空间扭曲-I与空间扭曲-II等多失稳模式及其发生时刻的精确预测。
　　针对大直径薄壁管数控绕弯过程多模具约束下失稳起皱预测的挑战，由轴压和纯弯边界下圆柱壳体失稳模型出发，分别通过能量法和特征值屈曲分析法获得薄壁管失稳时的挠度函数和屈曲模态，再将挠度函数或屈曲模态作为几何微缺陷嵌入到显式有限元模型中；研究发现基于能量法的轴对称几何微缺陷模型和基于特征值屈曲分析法的非轴对称几何微缺陷模型所消耗的失稳变形能基本一致；结合实验研究表明，相比于理想网格的有限元模型，本文所提出的失稳预测模型提高了薄壁管对压缩失稳的敏感性，实现了大直径薄壁管绕弯成形中起皱发生时刻、起皱波纹高度以及波纹个数的准确预测。

目录

本文的主要创新与贡献

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 复杂边界条件下薄壁件成形与失稳起皱

1.3 薄壁件失稳起皱国内外研究现状

1.4 复杂边界条件下薄壁件失稳起皱预测需解决的问题

1.5 本文选题的背景和意义

1.6 本文主要研究内容和研究思路

第2章 本文研究基础与方法

2.1 引言

2.2 结构失稳理论解析的原理与方法

2.3 结构失稳有限元数值模拟研究的基础与方法

2.4薄板不均匀压下面内弯曲实验基础

2.5薄壁管多模具约束数控绕弯实验基础

2.6 本章小结

第3章 复杂边界条件下失稳起皱预测方法的研究

3.1 引言

3.2 简单边界条件和复杂边界条件

3.3 不同加载边界条件下失稳起皱预测方法比较研究

3.4 引入几何微缺陷的解析-有限元模拟相结合预测方法的提出

3.5 本章小结

第4章 薄壁件几何微缺陷的构造研究

4.1 引言

4.2 薄壁件的初始缺陷

4.3 薄壁件几何微缺陷模型的初步建立研究

4.4 薄壁件几何微缺陷的嵌入研究

4.5 薄壁件合理初始缺陷的构造研究

4.6 本章小结

第5章 不均匀压下薄板面内弯曲成形失稳模式精确预测

5.1 引言

5.2 不均匀压下薄板面内弯曲成形特点及失稳模式

5.3 面内弯曲成形中薄板几何微缺陷的研究

5.4 不均匀压下面内弯曲成形多模式失稳预测模型的建立

5.5 不均匀压下薄板面内弯曲成形失稳模式预测

5.6 本章小结

第6章 大直径薄壁管数控绕弯成形失稳起皱精确预测

6.1 引言

6.2 多模具约束薄壁管数控绕弯成形特点及失稳起皱

6.3 数控绕弯成形中薄壁管几何微缺陷的研究

6.4多模具约束下数控绕弯成形失稳起皱预测模型的建立

6.5多模具约束薄壁管数控绕弯成形失稳起皱预测

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

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