拉伸成形工艺具有工件回弹小,成形精度高的优点,是飞机蒙皮成形的主要方法。随着航空工业的快速发展,机型更新换代加快,蒙皮零件的需求量日益增加,形状呈现个性化、复杂化的趋势。传统拉伸成形工艺材料利用率低,板料贴模困难,很难成形复杂的曲面件,难以满足现代生产的要求。因此,亟需更先进的拉伸成形工艺解决这一问题。高柔性拉伸成形工艺将离散化的思想应用于拉伸成形的模具和加载机构,使模具和加载机构同时具有高柔性。使用数字化多点模具代替传统的整体模具,实现一套多点模具可以成形多种三维曲面件的目的。使用多夹钳式柔性拉伸成形设备代替传统的拉伸成形机,使板料贴模更容易,减小拉伸成形过渡区,降低板料拉裂、起皱倾向,提高材料利用率和成形质量,可以成形复杂曲面件。本文通过数值模拟方法对比分析了复杂曲面件的传统拉伸成形和高柔性拉伸成形工艺;探讨了工艺条件对高柔性拉伸成形结果的影响;研究了基本体球头半径、固定单元和摆头单元、整体弹性垫和离散弹性垫对高柔性拉伸成形的影响,并应用高柔性拉伸成形装置进行了相关的试验。本文主要内容和研究结论如下:1.阐述了高柔性拉伸成形原理与特点探讨了传统拉伸成形工艺原理,指出其应用范围及成形局限;研究了高柔性拉伸成形装置的结构及成形原理,对模具和加载机构的柔性化特征进行了探讨;研究了高柔性拉伸成形过程中板料的应力应变关系和拉力等问题。与传统拉伸成形工艺相比,高柔性拉伸成形工艺具有一模多用、贴模容易、成形质量高、成形范围广、材料利用率高等优点。2.建立了高柔性拉伸成形过程有限元模型阐述了数值模拟板料变形问题所涉及的弹塑性有限元理论、动力显式方法中的显式时间积分、显式方法的稳定性等问题;探讨了高柔性拉伸成形有限元模型建立过程中的单元选择、材料模型、接触和摩擦处理等问题,建立高柔性拉伸成形有限元模型。3.研究了复杂曲面件的高柔性拉伸成形以扭曲件、梯形轮廓曲面件和双曲顶件为研究对象,进行了传统拉伸成形和高柔性拉伸成形过程的数值模拟分析。结果表明:扭曲件和梯形轮廓曲面件用高柔性拉伸成形工艺成形比用传统拉伸成形工艺成形时更容易贴模,成形质量更高;在拉伸成形力相同时,用高柔性拉伸成形工艺成形双曲顶件,板料能够完全贴模,无拉断现象;而使用传统拉伸成形工艺成形,板料不能完全贴模,甚至出现拉断现象。数值模拟结果说明高柔性拉伸成形工艺可以较好地成形复杂曲面件。用高柔性拉伸成形装置对上述三种复杂曲面件进行拉伸成形试验,成形效果良好,验证了数值模拟的正确性。4.探讨了不同工艺条件下的高柔性拉伸成形针对梯形轮廓曲面进行了高柔性拉伸成形数值模拟,研究了夹钳数量、夹钳间隙、夹料块圆角半径、垂直液压缸位置和过渡区对成形结果的影响。结果表明:夹钳数量越多,夹料块圆角半径越大,成形件有效成形区应力分布越均匀,应变值越小;随着夹钳间隙增加,成形件有效成形区的应力、应变先减小后增大,夹钳间隙为10mm时,应力、应变数值最小;垂直液压缸与夹钳钳口的距离越短,成形件有效成形区的应力分布越均匀,应变值越小,厚度值越大;过渡区越小,板料越容易贴模,所需成形力越小,成形件有效成形区应力分布越均匀,应变值、厚度减薄率越小。用高柔性拉伸成形装置对梯形轮廓曲面件进行拉伸成形试验,验证了数值模拟结果。上述分析说明高柔性拉伸成形工艺能够在很短的过渡区内对非矩形板料拉伸成形。5.研究了基本体单元对高柔性拉伸成形结果的影响分析了板料拉伸成形过程中产生压痕的原因,探讨了摆头单元的结构和成形原理。对球形件、抛物球形件进行高柔性拉伸成形数值模拟,通过数值模拟探讨了基本体球头半径、固定单元和摆头单元对拉伸成形结果的影响。结果表明:基本体球头半径越大,成形件表面压痕越小,应力、应变和厚度分布更均匀,但球头半径过大会影响成形精度;用摆头单元多点模具成形时,成形件表面压痕减小,应力、应变和厚度分布更均匀,成形效果明显优于用固定单元多点模具的成形效果。使用摆头单元可以减少弹性垫的厚度,进一步说明了摆头单元的优越性。使用固定单元和摆头单元多点模具进行了相关的拉伸成形试验,试验结果与数值模拟结果吻合。6.研究了弹性垫对高柔性拉伸成形结果的影响对比分析了不同厚度的整体弹性垫对固定单元和摆头单元多点模具拉伸成形结果的影响,以球形件和抛物球形件为研究对象进行了拉伸成形数值模拟,结果表明:固定单元和摆头单元使用整体弹性垫后,成形效果都得到提高。随着弹性垫厚度的增加,成形件的应力、应变和厚度分布越来越均匀,厚度减薄率和压痕逐渐减小,但回弹量增加。当弹性垫厚度为40mm时,固定单元对应的成形件压痕全部消失,当弹性垫厚度为20mm时,摆头单元对应的成形件压痕完全消失,说明弹性垫厚度相同的情况下,摆头单元的成形效果更好。对比分析了不同厚度的离散弹性垫对固定单元和摆头单元多点模具拉伸成形结果的影响。结果表明:当离散弹性垫厚度小于20mm时,随着弹性垫厚度的增加,成形件的应力、应变、厚度分布趋于均匀,厚度减薄率减小,成形效果有所提高。通过上述研究得出结论:在实际生产中应根据具体情况合理选择整体弹性垫厚度;离散弹性垫只能在一定厚度范围内提高成形效果;使用离散弹性垫可以减少对整体弹性垫的使用,降低搬运强度,提高生产效率;摆头单元与离散弹性垫配合使用能够减少或者不使用整体弹性垫,进一步提高成形效果。