劉鵬程，陳建平，王 斌

（1.天津科技大學機械工程學院，天津 300222；2.航天特種材料及工藝技術研究所，北京100074）

超塑性成形／擴散連接空心結構設計和強度分析

劉鵬程1，陳建平1，王 斌2

（1.天津科技大學機械工程學院，天津 300222；2.航天特種材料及工藝技術研究所，北京100074）

為研究超塑性成形／擴散連接組合工藝制備的鈦合金四層結構中芯層結構、芯層和蒙皮的擴散連接面積比率及芯層之間的擴散連接率對結構強度、剛度的影響規(guī)律，采用FEM分析了不同芯層結構、直筋數(shù)量及工藝參數(shù)條件下的多層結構零件強度、剛度變化規(guī)律，并重點研究了0.5 H／L和延伸率等關鍵因素的最佳取值區(qū)間。結果表明：超塑性成形／擴散連接四層結構件的芯層結構設計對強度和剛度影響較大，控制0.5 H／L值及芯層延伸率，可以使強度剛度均達到最高，最大限度地發(fā)揮四層結構的整體優(yōu)勢。同時，兩相鄰芯層在脹起時形成的圓角半徑大小對芯層之間及芯層和蒙皮的擴散連接焊合率有很大影響，進而影響多層結構的強度和剛度。

超塑性成形；擴散連接；擴散連接率；芯層結構

傳統(tǒng)飛行器結構件采用鉚接、螺接、膠接和焊接等方法將許多“片片”、“條條”和“塊塊”連接起來，成為完整的結構件，這些結構件通常由幾個或幾十個，甚至幾百個零件組成，因而制造周期長、手工勞動量大、成本高。利用超塑性成形／擴散連接組合工藝制造的復雜結構，其整體性強、結構強度高、剛性大且重量輕，是典型的輕量化整體結構［1－3］?，F(xiàn)已分別研制出單層板的口蓋，雙層板的艙門等大量結構件。而在航空航天領域應用最為廣泛的是三層和四層結構，這種結構充分發(fā)揮了鈦合金材料超塑性和擴散連接性能優(yōu)勢和工藝一體化特性，具有制造成本低，成形件結構重量輕等優(yōu)點，與傳統(tǒng)鋼結構相比，可以減重約20%～40%，降低制造成本約20%～50%［4－7］。美國在20世紀80年代中期為T38飛機制造了三層結構的主起落架艙門，英國IEP公司為A310，A320飛機研制的機翼維護口蓋以及法國達索公司生產(chǎn)的縫翼都采用了四層結構［1］。

筆者研究的鈦合金四層結構主要作為翼類零件使用，用鈦合金板材超塑性成形／擴散連接組合工藝制備而成，其結構形式如圖1所示。作為舵翼結構件使用，該結構必須能夠承受抗彎、抗沖擊、抗熱震顫等外界作用。而對于四層超塑性成形／擴散連接結構，影響其強度、剛度因素來自2方面：其一是設計時已經(jīng)確定的，即強度、剛度取決與采用什么樣的芯層結構；其二是由成形工藝決定的，成形工藝中影響強度的主要因素是芯層和蒙皮的擴散連接面積比率，芯層之間的擴散連接率。筆者主要是通過有限元結構強度計算，分析結構設計與芯層和蒙皮的擴散連接比率對結構強度、剛度的影響。

圖1 超塑性成形／擴散連接多層結構試驗件Fig.1 Specimen of superplastic and diffusion bongding

1 超塑性成形／擴散連接工藝介紹及術語描述

四層結構超塑性成形／擴散連接工藝可分為2個步驟，先是內(nèi)層的擴散連接，同時外層的超塑性成形，然后是內(nèi)層超塑性成形以及內(nèi)層和外層的擴散連接，其工藝過程：坯料制備—坯料表面處理—制備芯層結構—封焊—進爐加熱升溫—外層進氣—內(nèi)層進氣，如圖2所示。

圖2 成形工藝原理圖Fig.2 Principle of superplaseic and diffusion bongding processing

本文所涉及術語描述如下：擴散連接面積率是指蒙皮和芯層已擴散部分面積和總面積的比值；芯層是指四層結構的中間2層；蒙皮是指四層結構的外面2層板（如圖2所示）；橫筋是指相當于傳統(tǒng)蒙皮骨架結構的翼肋，平行于彈身軸線（x方向）（如圖3所示）；直筋是指相當于傳統(tǒng)蒙皮骨架結構的翼梁，一般垂直于彈身軸線或成放射狀（如圖3所示）。

2 芯層結構形式對強度影響

在零件要求總質(zhì)量一定情況下，對板材厚度的選擇也基本確定，板厚一定時，采用什么樣的芯層結構以及排布形式對結構強度、剛度影響很大，目前常采用的結構有直泡結構，密集方泡結構，六邊形蜂窩結構等。

在抗彎狀態(tài)下翼梁（直筋）主要傳遞y方向的彎矩，翼肋并不傳遞y方向的彎矩，因此翼類零件的整體抗彎強度和剛度主要取決于直筋的排布［2］，筆者僅就直筋的設計來對結構強度和剛度進行模擬。從傳統(tǒng)結構力學分析，希望直筋的數(shù)目越多越好，直筋數(shù)目越多其支撐效果越好，其強度和剛度越高。然而，由于超塑性成形／擴散連接工藝的特殊性，成形過程中其芯層在超塑性成形時由于拉伸變形而厚度變薄。從成形工藝考慮當直筋數(shù)目越多，芯層變形量越大，減薄也就越厲害，容易在芯層超塑性成形時吹破，因此必須設計合理的直筋數(shù)目，使得成形時芯層不至于超出其變形極限。從材料力學角度考慮，由于芯層減薄，使得s值、w值都減小，不利于承力，如圖4所示。因此，直筋數(shù)目越多并不一定提高結構強度和剛度，所以對于超塑性成形／擴散連接結構件不能一味追求支撐筋的數(shù)目來提高強度和剛度。

圖3 四層結構的芯層示意圖Fig.3 Core sketch of superplastic forming／diffusion bonding structure

在零件總寬度和總高度一定時，H為一定值，直筋數(shù)目隨L值變化，L越大，直筋數(shù)目越少。在零件高度一定時，s1的值是恒定的，s的大小主要取決與s2，s2又取決于芯層的變形減薄程度，s2減小導致s值減小，整個承力結構件的蒙皮承力厚度減小，反而不利于強度和剛度提高。因此，直筋數(shù)量增加和s的減小是一對矛盾，必須設計合理的芯層結構使得0.5 H／L得到最佳比例，才能發(fā)揮四層結構強度和剛度的優(yōu)勢。有限元數(shù)值模擬在航空航天工業(yè)的板料超塑性成形中應用廣泛［8］，與工藝實驗相比，它不僅節(jié)約費用，而且能提供直接的信息和引導，從而減少實驗的次數(shù)，有時甚至能越過試探性的實驗［9－11］。有限元數(shù)值模擬已經(jīng)成為超塑性成形工藝設計中減少工藝開發(fā)時間、改善工件成形質(zhì)量的非常必要的方法［12－14］。通過有限元數(shù)值模擬來分析0.5 H／L最佳比值。

模擬計算中，設計零件總高度為60 mm，也就是H＋2s2＝60 mm，零件總長度、寬度均為400 mm，如圖5所示。計算芯層減薄時假設芯層均勻減薄，不考慮芯層和蒙皮擴散連接時的摩擦影響，材料選用板厚為1.5 mm的BT20鈦合金板材，其質(zhì)量密度為4.45 kg／cm3，泊松比為0.34，彈性模量為118 GPa。

圖4 四層結構內(nèi)部示意圖Fig.4 Inner sketch of four sheet SPF／DB structure

圖5 模擬計算零件模具圖Fig.5 Two dimension sketch of moding die

根據(jù)體積不變，可計算出蒙皮變形后的厚度為1.329 mm，芯層變薄需根據(jù)設計的直筋的數(shù)目來計算，分別設計直筋的數(shù)目為9，10，11，12，13，14，15，16，有限元分析時，在結構件的某面上施加1.0 MPa的均布壓力，一端固定，類似懸臂梁結構，節(jié)點數(shù)為11 185個，網(wǎng)格數(shù)目為1 752個。

表1 不同芯層結構的芯層板厚變化及有限元分析結果Tab.1 Result of FEM for different thickness according to different core struture

圖6 0.5 H／L-剛度位移和mises應力曲線Fig.6 Curve on 0.5 H／L-stiff displacement and mises stress

計算結果如表1所示，圖6為剛度變化趨勢曲線。從圖6和表1可看出在0.5 H／L接近于1，芯層延伸率為200%左右時，才能最好發(fā)揮四層結構強度和剛度綜合優(yōu)勢。為了驗證以上結果是否能作為一般規(guī)律，設計了其他結構形式，分別近似取0.5 H／L為0.8，1.0和1.2，零件尺寸為300 mm×300 mm×40 mm，芯層和蒙皮均采用板材厚度選用1.2 mm的鈦合金，加載方式和前面相同。通過計算，蒙皮厚度變形為1.073 mm，0.5 H值為18.963，考慮的芯層泡為整數(shù)，分別設計為11，15，18根直筋，不同芯層結構變形規(guī)律如表2所示。結果證明，在0.5 H／L接近于1，芯層延伸率為200%左右時 ，四層結構件強度、剛度均達到最高，是最理想的組合。

表2 不同芯層結構模擬結果Tab.2 Result of different structure

對于以上結果可從材料力學角度加以分析，翼面在承受彎曲載荷時，可簡化為懸臂梁，對于單根直筋可進一步簡化為工字梁，其抗彎強度和剛度主要取決于抗彎截面模量，而抗彎截面模量取決于橫截面積和高度。實際上，由于彎曲正應力沿截面高度按直線規(guī)律分布，當離中心軸最遠處的正應力達到許用應力時，中性軸附近各點處的正應力仍很小，而且，由于其離中性軸近，力臂小，承擔的彎矩也很?。?］。所以，將較多的材料放置在遠離中性軸的部位，必然會提高材料的利用率，從這個角度考慮，在設計芯層時不能只追求直筋數(shù)目，因為直筋數(shù)目越多，芯層變薄越大，蒙皮處堆積的材料越少，不利于抗彎曲。

3 芯層和蒙皮擴散連接率對強度和剛度的影響

擴散連接面積的大小主要取決于芯層在超塑成形時圓角半徑R的大小，圓角半徑越大擴散連接面積越小，圓角半徑越小，擴散連接面積越大，當R趨于零時，擴散連接面積趨于100%（如圖7所示）。一般來說在超塑性成形過程中芯層和蒙皮貼合時圓角半徑大小很難控制，尤其是對于指定的圓角半徑，通過摸索工藝參數(shù)來控制圓角半徑將很難做到，而且摸索工藝參數(shù)的試驗成本非常昂貴。筆者旨在通過有限元數(shù)值模擬計算分析圓角半徑對抗彎剛度和抗彎強度影響，并分析其影響規(guī)律。分析過程中取前面400 mm×60 mm零件進行分析，板材厚度為1.5 mm，設計芯層結構為13個泡狀結構，變形后蒙皮厚度為1.329 mm，芯層厚度可根據(jù)圓角半徑大小計算，計算結果如表3，關系曲線圖8所示。

表3 擴散連接率和強度、剛度對應關系Tab.3 Effect of diffusion bonding area ration on mises stress and stiff

圖7 圓角半徑大小對強度影響Fig.7 Effect on the radius of core sheet

由以上分析可看出隨著擴散連接面積率升高，剛度有升高的趨勢，但剛度的變化不明顯，而通過mises應力反應出來的強度指標并不表現(xiàn)出相同的規(guī)律，其強度值在擴散連接面積率為85%左右時最高，在擴散連接面積率100%時，其剛度值最高，其mises應力并不是最小，而是隨擴散連接面積率先增加后減小，在85%左右mises應力值最小。綜合考慮mises應力和剛度位移因素，控制擴散連接面積率在85%左右時比較合適。在成形工藝過程中，控制圓角半徑大小十分困難，通過摸索工藝參數(shù)來控制擴散連接面積率時成本也很難實現(xiàn)，成本也會很高。以上分析并不是為在工藝中如何控制參數(shù)而達到控制擴散連接面積率的目的，而是為超塑性成形／擴散連接四層結構件的無損檢測提供判據(jù)，四層結構超塑性成形／擴散連接結構件芯層和蒙皮擴散連接的無損檢測是產(chǎn)品交付前必須檢測的項目，芯層和蒙皮擴散面積率檢測一般用超聲反射法，其檢測圖片中焊合區(qū)和未焊合區(qū)灰度有明顯差別，未焊合區(qū)出現(xiàn)在圖7所示的圓角半徑區(qū)，在超聲檢測時形成灰度較淺的區(qū)域，如圖9所示。因此，在制定芯層和蒙皮擴散連接檢測標準或規(guī)范時可認為擴散連接面積率達到85%，就認為該項目檢測合格。

圖8 擴散連接面積率和強度剛度關系Fig.8 Effect of diffusion bonding area ration on mises strees and stif

通過設計和計算其他結構驗證上述研究結果，其計算結果和上述結論一致。分析原因可能是由于兩圓角形成的支撐作用，而且圓角可減小應力集中，提高了整體結構強度。當圓角半徑太小容易導致應力集中，圓角半徑太大，擴散連接面積不夠，中間加強筋支撐效果不明顯，所以其強度也降低。而剛度值主要受截面形狀影響，擴散連接面積越大，蒙皮處集中材料越多，蒙皮整體性越好，所以其剛度值隨擴散連接面積率增大而增大。

4 結 論

1）超塑性成形／擴散連接四層結構件其芯層結構設計對強度和剛度影響較大，控制0.5 H／L接近于1，芯層延伸率為200%左右時，四層結構件強度、剛度均達到最高，是最理想的組合，能最好發(fā)揮四層結構整體強度和剛度的優(yōu)勢。

2）超塑性成形／擴散連接四層結構在芯層超塑性成形時，兩相鄰芯層在脹起時必定會形成圓角，圓角半徑大小影響著擴散連接焊合率，從而影響強度和剛度，擴散連接面積率越高剛度越高，而其最大mises應力在擴散連接面積率為85%左右達到最低。

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Design and strength analysis of superplastic forming／diffusion bonding hollow panel structure by FEM

LIU Peng-cheng1，CHEN Jian-ping1，WANG Bin2
（1.Mechanical Engineering College，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China；2.Aerospace Research Institute of Special Material and Processing Technology，Beijing 100074，China）

In order to study the influence of the structure of core sheet，the ratio of the diffusion bonding area between the core layer and cover layer，and the ratio of diffusion bonding area between core sheets on the strength of multi-layer structure fabricated by superplastic forming／diffusion bonding process，F(xiàn)EM is used to analyze the rigidity and strength of different parts with different structures of core sheet and process parameters.In the research emphasis is put on two critical factors：0.5 H／L and the elongation.The results show that the structure of core has greater influence on the rigidity and strength of multi-layer titanium hollow panel structure and the controlling of the value of 0.5 H／L and elongation can realize maximal rigidity and strength，which maximize the overall advantages of multi-layer structure.Meanwhile，the radius of corner between the two near core sheets have greater influence on the ratio of diffusion bonding area between core sheet and cover sheet and two near core sheets，thereby affecting the strength and rigidity of multi-layer structure.

superplastic forming；diffusion bonding；ratio of diffusion bonding；structure of core layers

TG146

A

1008-1542（2011）05-0435-06

2011-04-15；

2011-08-20；責任編輯:張 軍

天津市2010年重點基金資助項目（10JCZDJC23300）

劉鵬程（1975-），男，天津人，助理工程師，碩士，主要從事機械制造及其自動化方面的研究。