【摘 要】
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铜钛（Cu/Ti）薄壁复合管由铜、钛双层管制成,因而具有耐腐蚀、耐磨损、高强度等综合材料性能优势,广泛应用于航空发动机、滨海电站和海洋船舶等环境极其恶劣的工业领域。然而,Cu/Ti薄壁复合管由于壁厚较小、截面中空特征明显,在小弯曲半径成形的过程中,容易出现截面畸变。截面畸变与管材的尺寸结构、弯曲程度存在显著相关性,即存在尺寸效应。因此,为了更加准确地揭示截面畸变的演变机理,本文采用有限元模拟、实验
【基金项目】
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国家自然科学基金（51601070, 51875263）； 江苏省自然科学基金（BK20181447）；
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铜钛（Cu/Ti）薄壁复合管由铜、钛双层管制成,因而具有耐腐蚀、耐磨损、高强度等综合材料性能优势,广泛应用于航空发动机、滨海电站和海洋船舶等环境极其恶劣的工业领域。然而,Cu/Ti薄壁复合管由于壁厚较小、截面中空特征明显,在小弯曲半径成形的过程中,容易出现截面畸变。截面畸变与管材的尺寸结构、弯曲程度存在显著相关性,即存在尺寸效应。因此,为了更加准确地揭示截面畸变的演变机理,本文采用有限元模拟、实验研究和数学分析相结合的研究方法,从无芯模填充和刚性芯模填充两个方面,对Cu/Ti薄壁复合管截面畸变的尺寸效应进行研究,主要研究内容和结论如下:（1）首次引入截面中空系数λ和弯曲程度w两个无量化尺寸参数,描述薄壁复合管的尺寸结构。λ和w将常用管材的尺寸因子限定在（0,2）范围内。广义的截面畸变包括截面塌陷、起皱和破裂,采用截面畸变率Δδ、褶皱个数N和损伤值Cl建立了三种截面畸变形态的判断准则。为了揭示λ和w区间上三种截面畸变形态的演变规律,建立了平均截面畸变率（?）与λ、w之间的数学模型,进而确定了尺寸效应研究方法。（2）建立了Cu/Ti薄壁复合管的绕弯-回弹有限元模型。从理论验证、回弹和截面畸变预测精度三个方面对模型的可靠性进行验证。验证得到:ALLKE/ALLIE稳定后的值小于10%,ALLAE/ALLIE的最大值小于0.003;两种填充条件下,回弹、截面畸变的模拟和实验结果误差均在15%以内,所建模型可精确预测回弹和截面畸变。故本文建立的Cu/Ti薄壁复合管有限元模型是稳定可靠的。（3）无芯模填充条件下:（1）Cu/Ti薄壁复合管在任意λ、w区间的截面畸变形态为截面塌陷。平均截面畸变率（?）随λ、w的增大呈Boltzmann函数增长（先急速增长后缓慢增长）;当λ＞0.97时,管材弯曲过程中截面塌陷严重,上、下管壁接触,成形过程彻底失效。（2）研究基、覆管耦合作用下的尺寸效应,发现基管的耦合作用增大了截面畸变,而覆管的耦合作用的影响与之相反;（3）（?）与λ-w之间的数学描述为双Boltzmann函数乘积,此为无芯模填充条件下截面畸变尺寸效应的数学模型。基于该模型的预测,发现任意Cu/Ti薄壁复合管在λ-w空间中,“可弯曲成形区”绕“不可成形区”呈环状分布;w增大时,λ必须相应地减小,才可确保薄壁复合管合格成形。该条件下的最佳成形区间为ZNb={λ,w|0.2≤λ≤0.58,0.23≤w≤0.90}。（4）刚性芯模填充条件下:（1）随着λ和w的增大,截面畸变依次经历截面塌陷、起皱再到破裂的转变;在合格成形区间,（?）明显低于起皱区和破裂区。（2）（?）与λ-w之间的数学描述为指数和对数函数的乘积,此为该条件下截面畸变尺寸效应的数学模型。基于该模型的预测,发现任意Cu/Ti薄壁复合管在λ-w空间中呈叶状分布。最佳成形区间为ZMb={λ,w|0.46≤λ≤0.68,0.25≤w≤0.47}。（3）芯模填充使成形区域分为芯棒填充区（MFZ）、芯头填充区（CFZ）和非填充区（NFZ）,在极端条件下,MFZ和CFZ更容易出现起皱、鼓包甚至破裂。本文为研究几何参数对薄壁复合管绕弯成形缺陷演变机理,提供了一种新的研究方法,通过该方法的分析预测,能够精确得到满足成形精度要求的最佳成形几何参数。为薄壁复合管的实际生产提供更多的理论依据和工艺指导,进一步促进薄壁复合管塑性弯曲成形技术的发展。
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