异形截面薄壁焊管内高压成形规律研究

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1、博士学位论文异形截面薄壁焊管内高压成形规律研究RESEARCHONHYDROFORMINGBEHAVIOROFTHIN-WALLEDWELDEDTUBESWITHIRREGULARSECTIONS谢文才哈尔滨工业大学2018年06月国内图书分类号：TG394学校代码：10213国际图书分类号：10.071密级：公开工学博士学位论文异形截面薄壁焊管内高压成形规律研究博士研究生：谢文才导师：苑世剑教授申请学位：工学博士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG

2、394U.D.C:10.071DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONHYDROFORMINGBEHAVIOROFTHIN-WALLEDWELDEDTUBESWITHIRREGULARSECTIONSCandidate：XieWencaiSupervisor：Prof.YuanShijianAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliatio

3、n：SchoolofMaterialsSci.&Eng.DateofDefence：Jun.2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要管材内高压成形是制造轻量化空心异形截面构件的先进技术。由于焊管具有壁厚均匀性好、成形性能好和成本低等优势，在工业生产中正逐步取代无缝管作为内高压成形的坯料。但是，由于焊管具有力学性能非均质特性，在成形过程中管材易出现非均匀变形及焊缝区易发生破裂。为了解决该问题，本文通过理论分析、数值模拟和工艺实验，研究双向应力状态下薄壁焊管力学

4、性能与成形极限，提出面向焊管的内凹预制坯充液压制方法，进行全尺寸异形截面焊管内高压成形多工步数值模拟和实验研究，为开发焊管内高压成形技术提供理论指导。为获得双向应力状态下薄壁焊管的力学性能及成形极限，通过液压胀形研究了不同长径比变形区条件下STKM11A低碳钢焊管的变形行为，揭示了焊管环向壁厚变化规律和非均匀变形机理；采用平面应力各向异性屈服准则和变形区相切圆几何模型，建立了焊管变形过程等效应力与等效应变理论模型。通过整管液压胀形实验，直接测得了双向应力状态下焊管的硬化曲线和成形极限图。发现随着长径比增加，破裂压力与胀形高度略有降低，焊缝两侧约±

5、30°位置的壁厚减薄率最大；其机理为在胀形过程中，因焊缝出现“掐腰”现象，导致在焊缝两侧附近一定角度母材的曲率半径大于其它区域，使该处受到的应力最大，而先发生塑性变形。通过对矩形截面成形过程预制坯形状对焊缝受力影响的分析，提出了面向焊管的内凹预制坯充液压制方法，揭示了支撑内压对内凹预制坯形状和壁厚分布的影响规律，通过灵敏度分析优化了内凹预制坯形状。内凹预制坯降低了焊缝所受拉应力，可有效减少焊缝及附近热影响区发生破裂的风险。充液压制可完全避免普通压制存在的咬边缺陷。采用充液压制方法可精确制备出所需的内凹预制坯，为解决复杂截面焊管内高压成形过程焊缝开

6、裂的难题提供了合理预制坯形状。通过建立考虑焊缝力学性能的焊管内高压成形数值模拟模型，揭示了薄壁焊管焊缝位置、厚度与强度对内高压成形的影响规律。在弯曲过程中焊缝置于上侧或内侧处于压应力的位置，有利于提高成形极限和避免焊缝开裂。焊缝与母材壁厚比由0.95增至1.05时，焊缝的等效应变降低约20%；焊缝与母材强度比由0.8增至1.2时，焊缝的等效应变降低18.5%。通过增加焊缝厚度或强度，使得焊缝区变形减小，有利于降低焊缝开裂风险。-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文设计和制造了轿车副车架复杂截面异形焊管内高压成形与液压冲孔复合模具装置，采用可变合模力

7、加载方式，可有效降低模具的应力和减小变形。通过弯曲焊管预制坯充液压制数值模拟与实验研究，揭示了焊缝位置与支撑压力的影响规律，支撑内压6MPa时可压制出形状精度满足要求的内凹预制坯。通过全尺寸复杂截面异形焊管内高压成形和多孔同步液压冲孔实验研究，揭示了预制坯形状和焊缝位置对焊管内高压成形缺陷的影响规律。研发出全尺寸复杂截面异形焊管内高压成形全套工艺（包括数控弯曲、预成形和内高压成形工序），批量试制出马自达M8副车架零件，测试了零件尺寸精度和力学性能。成形件最大尺寸偏差0.25mm，最大相对偏差0.5%，远小于设计给定的公差；成形件的屈服强度提高约1

8、2%，抗拉强度基本不变，延伸率略有降低。副车架内高压成形件尺寸精度和力学性能均满足设计要求。关键词：焊管；内高压成形；异形截面；充液压制