铝合金交叉筋壁板激光诱导热成形扫描策略研究

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整体壁板式舱体结构具有结构效率高、密封性能好等优点,是航天器密封舱体的最佳选择。带筋壁板的弯曲成形是舱体制造过程中的关键步骤,目前常用的成形方法如压弯成形、时效蠕变成形等都需要通过外力和工具的配合来完成,存在成形周期长、回弹严重等问题。激光诱导热成形技术是一种无模、高柔性的快速成形方法,板材的变形由热应力诱导,不需施加外力。因此,使用激光诱导热成形技术成形整体壁板可以大大缩短成形周期,同时减小回弹。本文主要研究5A06铝合金交叉筋壁板的激光诱导热成形技术。以实现交叉筋壁板的圆柱面成形为目标,对壁板的单道扫描成形和多道扫描成形进行了研究,提出了相应的扫描策略,并通过仿真和试验进行了验证。首先,建立了激光诱导热成形的有限元模型。采用顺序耦合的方法,基于有限元分析软件ABAQUS建立了激光诱导热成形的有限元模型,通过温度场和位移场对模型的有效性进行了验证,为定量研究交叉筋壁板的变形过程奠定了基础。其次,对交叉筋壁板网格区的单道扫描成形行为进行了研究。分析了扫描过程中温度场和应力应变场的变化规律,揭示了壁板非期望变形产生的原因;仿真分析了激光功率、扫描速度、光斑直径、扫描次数和扫描线距自由端的距离对壁板成形的影响,为合理选择扫描参数提供了依据;为提高网格区扫描成形的形状精度,提出了变功率扫描、局部多次扫描、外力辅助扫描和综合扫描等扫描策略,通过仿真比较了各种策略对非期望变形的抑制效果,并通过试验验证了最优策略。最后,对交叉筋壁板多道扫描成形圆柱面的相关问题进行了研究。通过仿真分析了边缘区扫描和筋部扫描时壁板的成形特点,讨论了扫描方式对壁板成形的影响;针对多道扫描过程中非期望变形的累积效应,提出一种筋部扫描策略来减小自由端的纵向弯曲程度;规划了交叉筋壁板多道扫描成形圆柱面的扫描流程和扫描策略,并进行了成形试验,较好地实现圆柱面弯曲成形。
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