北航团队：残余应力在铝合金整体壁板多工艺复合成形过程中的演变与影响

作者： 华体会 发布于： 2024-09-04

  铝合金带筋整体壁板可同时实现航空航天装备轻量化与性能的极大提升，在新一代飞行器机身、机翼等关键构件中存在广泛的应用需求与潜力，实现其整体精确制造具备极其重大意义。带筋壁板复杂曲面外形+高筋条的结构特点使得铣削、连接、塑性成形等多工艺复合制造方法成为实现其整体制造的发展趋势。

  一种典型路径如图1所示，壁板件首先由原材料通过机械加工、焊接、3D打印等工艺制备，接着进行成形和热处理，最终获得具有预期形状和性能的产品。在整个制作的完整过程中，每一步都不可避免地在构件表面与内部产生残余应力，前序工艺产生的残余应力导致后续工艺中残余应力重新分布，直接影响最终构件的形状和性能，因此对于具有高精度及高性能要求的航空航天产品，残余应力在多工艺复合制造过程中的影响不可忽视。

  文章首先梳理了机械加工、焊接（熔焊+搅拌摩擦焊）及3D打印3种典型壁板制备工艺产生残余应力的机理、关键影响因素及其一般分布。其次总结了考虑不同前序制造工艺产生的残余应力对后续成形工艺中带筋壁板微观组织、宏观变形和性能的影响的现有研究结果，并对研究残余应力及其影响的传统和先进办法来进行了综述。最后，提出了带筋壁板构件多工艺复合制造过程中考虑残余应力影响的研究方向，为考虑残余应力影响的工艺设计提供了全面的参考，以指导航空航天复杂带筋壁板的高精度制造。

  1）铣削、焊接、3D打印三类壁板预处理工艺中残余应力演变与关键影响因素。

  系统梳理了铣削、焊接（激光焊接、搅拌摩擦焊）及3D打印过程中铝合金表面及内部残余应力的产生机理：铣削残余应力由机械效应及温度效应耦合作用产生，而焊接及3D打印残余应力主要由温度效应产生，并需要仔细考虑微观结构的变化。根据残余应力的产生机理，通过定义残余应力分布的关键点，总结了不同预处理工艺后壁板残余应力的典型分布趋势(图2)。最后总结了影响残余应力分布及大小的关键工艺参数，为研究残余应力对后续成形制作的完整过程的影响提供简化的研究方法。

  基于现有文献，系统总结了残余应力在后续塑性成形过程的重分布及其对成形后壁板回弹和强度性能的影响，形成了典型工艺路残余应力影响原理与规律图（如图3所示）。结果显示对于中低应力应变水平的弯曲、轧制及蠕变时效成形等成形工艺，残余应力对成形后回弹及性能影响明显（高达50%），明确了前序制作的完整过程残余应力影响研究的必要性。然而现有研究多为定性研究或考虑特定结构参数下的量化研究，缺乏通用性的残余应力影响量化表征方法与数据，难以在实际制造与生产中实现有效应用。

  图3 残余应力的产生，在典型制造工艺之间的重分布及其对产品回弹和强度的影响

  3）提出了残余应力对壁板多工艺复合全流程形性演变量化影响的高效预测方法。

  表征和研究残余应力影响的常用办法能够分为四类，包括实验法、解析法、有限元法和机器学习法，单一方法在研究残余应力影响方面均具有局限性。因此，研究团队提出将多种研究方法结合可能一种更准确及有效的解决方案（如图4），提出了将有限元模拟与本文定义的典型前序制造工艺残余应力的一般分布相结合的混合有限元方法，结合简单的实验或计算，为后续的残余应力影响的通用化、量化研究提供精确、高效的新方法。此外，近年来加快速度进行发展的机器学习/深度学习法被认为是预测典型过程中残余应力及其影响的一种简单且有效的方法，通过实验和与混合有限元精确模拟相结合来实现大量高质量数据的积累，可实现其在铝合金带筋壁板构件全制造流程中残余应力及其量化影响的快速预测。

  1）本文提出了机械加工、焊接及3D打印引起的带筋壁板残余应力的一般分布形式，总结了影响残余应力分布的机理与关键因素，为残余应力在后续工艺中的影响研究提供依据。

  2）残余应力演化及其影响在铝合金结构件制造的整个工艺链中具备极其重大意义，特别是对于低/中应变量成形工艺（如弯曲、轧制及蠕变时效等）。未来的研究需要更多地关注残余应力对组织和性能的影响，特别是对高温成形或制造工艺的影响，建立铝合金结构件制作的完整过程中残余应力、变形、微观组织和力学性能之间的量化影响关系，为控制铝合金结构件变形和性能的全制造流程结构与工艺设计提供直接指导。

  3）简化的混合有限元方法（实验法/解析法+有限元法）及实验法/有限元法+机器学习法是未来预测铝合金带筋壁板构件多工艺复合过程中残余应力及其影响的简单且高效的新途径，可为建立通用性的残余应力影响量化关系、实现其在实际制造与生产中的有效应用提供重要支撑。

  第一作者：李勇教授，北京航空航天大学机械工程及自动化学院飞行器制造工程系主任

  获得国家级青年人才计划、北航青年拔尖人才计划支持，从事高性能轻质材料（高强铝合金、复合材料等）跨尺度、全流程模拟以及大型复杂薄壁构件先进成形理论与技术探讨研究。相关研究成果在Int J Plasticity, Int J Mach Tools Manuf, Composite Part A等金属、复合材料成形领域顶级期刊发表1作/通讯作者论文30余篇。

  第一作者：甘宛妮，北京航空航天大学机械工程及自动化学院，硕士研究生，主要研究方向为金属塑性成形理论及工艺

  从事轻量化薄壁结构高性能成形制造技术与可成形性轻量化设计研究。主持并参与了国家自然科学基金，重点研究项目专题，航空工业相关单位支持项目等。相关研究成果在Int J Mach Tools Manuf，Int J Mech Sci，Aerosp Sci Technol等塑形成形与航空航天领域SCI Q1区国际权威学术期刊发表论文10余篇。

  从事轻质材料精密/超精密成形技术与装备研究。塑性工程学会常务理事、中国商飞“民用飞机制造技术国家工程中心”及中航工业航空专用装备专家委员会委员、《塑性工程学报》编委。获国家科学技术进步二等奖1项、国防科学技术进步特等奖1项/一等奖2项。出版教材2部，主编工信部十四五规划教材1部。

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