在机械制造以及建筑等领域,常常涉及内部填充离散介质的薄壁中空型材的变形问题,如超导线材的PIT制备、管材固体颗粒介质成形等。这类复合结构的整体变形是一个多因素耦合作用的复杂力学过程,涉及管坯自身的弹塑性变形、内腔粉体或颗粒的流动与变形,以及粉体与管壁的相互作用等,目前对这类问题的认识还十分有限,实践中也缺乏有效的理论指导。例如,在超导材料制备时,常常由于工艺参数的选择不合理而造成断裂等失效。已有研究表明,将振动施加到包括超导材料PIT制备等各种材料成形过程中,可以显著提高成品率和质量。为此,本文研究了准静态和振动状态下粉体填充金属管的正挤压变形,重点分析了载荷、整体变形特征、成形后的粉体密度与均匀性等问题。主要工作与结论如下:(1)利用物理实验、解析分析和数值模拟,分析了薄壁管准静态挤压和拉拔过程中管坯内腔容积的变化。结果表明,在薄壁管的挤压、拉拔等“缩径类”变形过程中,在内径减小、轴向长度增加以及壁厚变化等方面的综合影响下,管坯内腔的容积会减小,且减小程度与模具锥角、摩擦、挤压比、相对壁厚和材料特性有关;管内容积的减小,使得粉体受到较大的三轴压力(静水压力),从而促进粉体的致密化。(2)研究了充填铁粉、钢球两种不同离散介质的铝合金薄壁管,在不同摩擦条件下正挤压的变形特征,发现:充填物使得铝合金薄壁管的正挤压力增加,但充填颗粒度较大钢球颗粒的管坯,挤压力-行程曲线有较明显的跳跃;三向压力使粉体致密,静水压力和相对密度间存在正比例的对应关系;应力三轴度可反映粉体挤压过程的受力状态,与粉体相对密度有一定对应关系;挤压后的压实粉体的显微硬度测试表明,密度分布存在不均匀性,自锥面处向下粉体相对密度先增加后减小;管坯材料的厚向异性指数对内部粉体的致密有一定影响。(3)利用改装直剪仪,测试了高频激振下氧化铁粉与铬钼合金铸钢球的摩擦角,表明振动有助于粉体的流动,使得动态摩擦角降低,且氧化铁粉摩擦角比铬钼合金铸钢球摩擦角降低更多;振动挤压数值模拟表明,不论是管坯与模具间还是粉体与管坯间,动态挤压的摩擦应力远小于准静态挤压;准静态正挤压在变形初期静水压力增加较慢,而动态正挤压开始后静水压力就迅速增大;与准静态挤压相比,加载超声振动的粉体静水压力更大。(4)由于振动“体积效应”和“表面效应”共同作用的结果,使得离散体充填管的挤压载荷下降,且振幅越大、载荷降低越多。施加振动能够得到更高致密程度的管内粉体,且管壁厚分布更均匀。相同振幅下,管充填氧化铁粉比充填铬钼合金铸钢球的挤压载荷减少幅度更大。