具有复杂空间形状的三维薄壁弯曲构件在航空航天、核能工程和汽车工业等众多领域有着广泛的应用。特别在各类工程领域的管道系统中,小弯曲半径的薄壁弯曲构件也发挥着极为重要的作用。三维自由弯曲成形技术作为一种新颖的管材成形加工技术,可以实现各种复杂形状弯曲构件的整体成形。目前,薄壁金属管材自由弯曲成形由于多未采用芯棒,存在多种成形缺陷尚未解决,制约了三维自由弯曲技术在薄壁管成形领域的工程化应用。因此,开展薄壁金属管材三维自由弯曲芯棒结构的设计及优化研究,对于改善薄壁金属管材的自由弯曲成形质量具有重要意义。本文基于薄壁管材有芯自由弯曲成形的基本原理,将有限元模拟和实验研究相结合,在薄壁金属管材自由弯曲芯棒的结构设计、芯棒运动干涉条件解算、芯棒结构参数对薄壁管材成形质量的影响等方面开展了系统的研究工作。（1）设计了不同结构的自由弯曲成形芯棒,开展了芯球碰撞干涉和最大旋转角度设计验证,掌握了薄壁管有芯自由弯曲成形过程和机理;通过建立有芯自由弯曲理论力学分析模型,研究薄壁管在有芯自由弯曲成形过程中的应力应变分布规律,获得薄壁管有芯自由弯曲成形质量规律。（2）以薄壁304不锈钢单弯管为研究对象,建立了薄壁管有芯自由弯曲成形有限元模型并验证了模型的可靠性;通过有限元模拟研究芯棒的结构参数对于薄壁管成形质量的影响情况,揭示了芯棒的相关结构参数对于薄壁弯曲管件的应力应变分布、壁厚分布、截面畸变等成形质量的影响规律。研究结果表明:活动芯球与薄壁管材之间的间隙适度增大,有利于抑制弯曲薄壁管外侧壁厚的过度拉伸和减薄。此外,尽量采取活动芯球个数多的芯棒,且保证活动芯球与薄壁管材之间的间隙在允许变化范围内合理增大,有利于减轻薄壁管成形过程中的壁厚过度减薄情况,保证薄壁管的成形质量。（3）对原始芯棒进行结构设计优化,将原先的活动芯球部分较长的芯棒优化为长度更短、单个芯球背部具有镂空结构、整体旋转角度更大的新式芯棒。针对新设计芯棒的结构特点及所涉及到的芯棒结构参数,通过正交实验的方法探究各芯棒结构参数对于薄壁管最终成形质量的影响权重,最终基于新设计的芯棒结构开展薄壁管有芯自由弯曲成形实验,验证有限元仿真的可靠性。