某大型空間航天器帶法蘭異構(gòu)壁板精密成形工藝研究

許愛軍，賈悅榮，趙長喜

某大型空間航天器帶法蘭異構(gòu)壁板精密成形工藝研究

許愛軍，賈悅榮，趙長喜

（中國空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星制造廠，北京100194）

針對某大型空間航天器帶法蘭異構(gòu)壁板薄厚不一致、剛度不均勻、在成形過程中容易產(chǎn)生斷裂的難題，利用ABAQUS對整體壁板壓彎成形過程進行了有限元分析，討論了直接壓彎成形過程中易產(chǎn)生缺陷的部位和原因。結(jié)果表明，壁板直接壓彎成形加強筋及其交匯處應力集中，應力值最大，為成形過程的薄弱區(qū)，容易產(chǎn)生失穩(wěn)及斷裂。針對該情況，提出了柔性補強壓彎成形工藝方法，并進行了成形工藝實驗驗證，實驗結(jié)果表明，采用該方法成形的壁板蒙皮與加強筋表面質(zhì)量良好，曲率均勻，無缺陷，滿足尺寸精度要求；最后，在有限元模擬及工藝驗證實驗的基礎上，利用柔性補強技術(shù)和分段壓彎成形技術(shù)相結(jié)合的方法，解決了帶法蘭異構(gòu)壁板傳統(tǒng)成形法蘭過渡處易斷裂的成形難題，實現(xiàn)了該大型空間航天器多種帶法蘭異構(gòu)壁板的成形制造。

航天器；異構(gòu)壁板；柔性補強；精密成形；有限元

Abstract：Integral panels with different flanges are difficult to form and easy to fracture during the forming process due to their different uniform thickness and stiffness.To solve this problem，press bending process of the integral panel with different flanges was simulated with the ABAQUS software.The defection and position of the defection were analyzed.The results indicated that the stress concentrated in the strengthening ribs and the intersections among the strengthening ribs when the integral panels were pressed bending.Press bending experiments were carried out using lactoprene wad flexible strength compensation forming technology and the method was proved to be effective.The integral panels were formed accurately with this method.The quality of the skin and the strengthening ribs of the integral panels after forming was in good state and without any defections.The design precision was satisfied.On this basis，the technology combining the flexible strength compensation with the subsection press forming was proposed which had the advantages of universal property and large deformability force.Therefore，the problem that the integral panels with flanges were difficult to form and easy to fracture has been solved and various integral panels with flanges of a spacecraft have been manufactured.

Key words：spacecraft； integral panel with flanges； flexible strength compensation； precision forming；finite element

1 引言

整體壁板是指不需要連接技術(shù)而將蒙皮與加強筋、桁條等加強部分制成的一個整體加筋板件［1-2］，主要由蒙皮、加強筋等若干結(jié)構(gòu)要素組成的承力結(jié)構(gòu)件，具有所需結(jié)構(gòu)件項目少、結(jié)構(gòu)重量輕、強度高、剛性好、裝配簡單等諸多優(yōu)點，已取代蒙皮、桁條等零件鉚接裝配結(jié)構(gòu)，成為現(xiàn)代飛機和航天器廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式之一［3-5］。

整體壁板加工通常都采用數(shù)控加工，具體分為兩種方法：一種是在五坐標數(shù)控機床上，利用數(shù)控加工程序直接銑削完成整體壁板；另一種是在平板狀態(tài)下對整體壁板的網(wǎng)格進行銑削加工，然后采用滾彎、壓彎、拉彎、噴丸或蠕變時效等方法將其成形［6-9］。第一種方法由于需要大型五軸數(shù)控機床，加工周期長，成本高；第二種方法由于其簡單、方便，生產(chǎn)周期短而成為整體壁板生產(chǎn)制造的主要方法［9-10］。但是整體壁板在成形過程中，由于加強筋參與變形，容易產(chǎn)生失穩(wěn)、扭曲或開裂等缺陷，并且在卸載后會產(chǎn)生較大的回彈，成形難度極大［11］。隨著現(xiàn)代飛機和航天器飛行速度和載荷的不斷提高，整體壁板的設計和制造指標也越來越高，而帶有法蘭、加強筋和減輕孔等復雜結(jié)構(gòu)的異構(gòu)整體壁板可以滿足航天器性能要求，同時兼顧結(jié)構(gòu)效率、成本和制造周期，成為載人航天器采用的結(jié)構(gòu)形式之一。這類帶法蘭異構(gòu)整體壁板比普通的整體壁板結(jié)構(gòu)更復雜，在不同部位分布著形式多樣、大小不一的法蘭，并且法蘭的厚度往往和壁板的主體厚度不一致，壁板存在突變位置和厚度差，整體具有較大的剛度差，成形時，成形抗力存在較大差別，容易發(fā)生嚴重的不均勻變形，法蘭周圍的過渡區(qū)在變形過程中極易產(chǎn)生斷裂，成形難度非常大；另外，由于研究背景和條件的限制，國內(nèi)外的專家和學者對該類整體壁板成形技術(shù)的研究公開較少，無相關(guān)經(jīng)驗可借鑒，因此急需新的工藝技術(shù)攻關(guān)來實現(xiàn)該類壁板成形制造。

本文針對某大型空間航天器帶法蘭異構(gòu)壁板剛度不均勻，在成形過程中容易產(chǎn)生斷裂的難題，利用ABAQUS軟件對整體壁板壓彎成形過程進行了有限元模擬，分析直接壓彎成形過程中易產(chǎn)生缺陷的部位和原因。根據(jù)得到的缺陷成因，提出一種柔性補強壓彎成形工藝方法，并通過成形工藝實驗驗證了該方法的有效性；在此基礎上提出一種柔性補強技術(shù)和分段壓彎成形技術(shù)相結(jié)合的工藝方法，以期解決帶法蘭異構(gòu)壁板傳統(tǒng)成形法蘭過渡處易斷裂的成形難題，完成該大型空間航天器的帶法蘭異構(gòu)壁板的精密彎曲成形。

2 整體壁板直接壓彎成形有限元分析

2.1 5A06鋁合金化學成分

整體壁板材料為5A06鋁合金，熱處理狀態(tài)為 H112，其化學成分如表1所示［9］。

表1 5A06鋁合金板化學成分［9］Table 1 Chemical composition of 5A06 aluminum alloy（mass fraction， %）［9］

2.2 5A06鋁合金力學性能

為獲得5A06鋁合金力學性能參數(shù)，在INSTRON5500R電子萬能材料實驗機上以恒應變速率0.0 006 s-1進行了單向拉伸實驗，獲得其力學性能參數(shù)如表2所示。

表2 5A06鋁合金板力學性能指標Table 2 Mechanical properties of 5A06 aluminum alloy

2.3 分析模型

由于整體壁板結(jié)構(gòu)比較復雜，在ABAQUS中建模困難，本文在Pro／E中構(gòu)造整體壁板的三維模型，然后將其導入到ABAQUS。整體壁板截面尺寸為980 mm×360 mm，厚度為10 mm，其中，蒙皮厚度為2 mm，加強筋寬度為2 mm，網(wǎng)格深度為8 mm，如圖1所示。

圖1 整體壁板結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the integral panel

假設鋁合金整體壁板為各向同性塑性材料模型，其基本物理參數(shù)為：彈性模量E＝71 000 MPa，密度ρ＝2780 kg／m2，泊松比μ＝0.33，模擬過程采用Mises屈服準則。為了保證接觸面之間不發(fā)生穿透，凸模和凹模均定義為離散剛體，采用R3D4實體單元，設置凸凹模的表面為主面，板材的表面為從面。采用庫侖摩擦條件，設置凸模與壁板以及凹模與壁板之間的摩擦系數(shù)相同且均為0.1。模擬中，凹模保持靜止不動，各方向的位移均設定為零，并對凸模施加指定位移加載條件。整體壁板設置為變形體，采用1／2模型，并且對稱面施加對稱約束。網(wǎng)格劃分采用C3D4全積分三角形實體單元，為保證計算精度，其網(wǎng)格設置保證足夠的細，模型共有226 278單元，其整體裝配圖如圖2所示。

圖2 整體壁板直接壓彎成形有限元模型Fig.2 Finite element model of direct press bend forming of the integral panel

2.4 分析結(jié)果

根據(jù)有限元模擬情況，將整體壁板壓彎成形過程分為四個階段：1）成形初期，凸模下行，凸模底部最先與整體壁板接觸，整體壁板底部發(fā)上少許變形，此時變形僅為彈性變形，卸載后整體壁板將產(chǎn)生回彈，恢復到平板狀態(tài)，如圖3（a）所示；2）隨著凸模的進一步下行，模具與整體壁板的接觸面積不斷增大，整體壁板進一步彎曲，產(chǎn)生塑性變形，如圖3（b）所示；3）成形后期，隨著凸模的繼續(xù)下行，整體壁板彎曲整形，最后與模具貼膜，如圖3（c）所示；4）整體壁板完全卸載，產(chǎn)生了明顯的回彈，同時，壁板彈性回復，應力釋放，回彈后壁板各部分對應的Mises等效應力小于回彈前的應力值，應力分布更加均勻，如圖3（d）所示。

圖3（c）是整體壁板在壓彎成形后的Mises等效應力分布云圖。從圖中可以看到，從中間的壓彎線開始往外，Mises等效應力的值逐漸減小，而蒙皮處的應力值較小，加強筋及其交匯處應力比較集中，應力值最大。

圖3 5A06鋁合金整體壁板直接壓彎成形各個階段Mises等效應力示意圖Fig.3 Mises stress distribution of 5A06 aluminium alloy integral panel press bending in different stage

圖4 為整體壁板壓彎成形塑性應變分布云圖，從圖中可以看，整體壁板在壓彎過程中蒙皮始終處于彈性變形階段，塑性應變約為零，幾乎沒有塑性應變產(chǎn)生，而加強筋既有彈性變形，又有塑性變形產(chǎn)生，因此整體壁板的塑性變形主要集中于加強筋處。加強筋過渡處的應力應變狀態(tài)嚴重，處于三向拉應力狀態(tài)，容易導致加強筋失穩(wěn)，且該處存在剪切塑性變形，從而導致壁板筋條與蒙皮過渡處容易發(fā)生斷裂。

當模具上行時，由于受蒙皮彈性回復的影響，加強筋的塑性變形變得越發(fā)復雜，既有凸模下壓導致的塑性變形，又有蒙皮回彈導致的塑性變形。因此，可以認為，整體壁板壓彎成形主要是由于加強筋發(fā)生塑性變形而導致整體壁板外形的改變。

圖4 整體壁板直接壓彎成形塑性應變分布云圖Fig.4 Plastic strain distribution of 5A06 aluminium alloy integral panel press bending

2.5 柔性補強壓彎成形工藝驗證實驗

根據(jù)有限元分析結(jié)果，加強筋是整塊壁板壓彎過程中最薄弱及最容易失穩(wěn)的部位。為防止加強筋在壓彎過程中產(chǎn)生失穩(wěn)及斷裂，本文提出采取柔性補強技術(shù)，即在整體壁板的網(wǎng)格中填充聚氨酯橡膠塊然后成形的方法，其成形示意圖如圖5所示。為驗證此工藝方法的可行性，特進行了如下工藝驗證實驗：

圖5 整體壁板柔性補強壓彎成形示意圖Fig.5 The sketch map of press bend using lactoprene wad flexible strength compensation

工藝驗證實驗仍采用的圖1所示整體壁板，由1000 mm×400 mm×δ15的方形厚板數(shù)控銑加工而成，材料采用5A06防銹鋁合金，熱處理狀態(tài)為H112。壓彎成形實驗主要是在500 t液壓機上進行。模具主要由上模、下模組成，彎曲半徑R＝700 mm。在每次實驗中保證每塊整體壁板的成形加載力相同，并保證整體壁板和上下模具完全貼合，卸載發(fā)生回彈后，測量壁板的成形半徑。壁板的成形半徑可以通過測量壁板上任何兩點的高度及距離計算而出。為保證圓弧結(jié)果的精確性，整體壁板測量部位取3個不同方向的截面，最終結(jié)果取三個截面圓弧半徑的平均值。將所測結(jié)果與設計尺寸要求相比較，如果差別較大采取穩(wěn)定化處理方式校形，以滿足設計尺寸要求。

圖6為柔性補強壓彎成形后的整體壁板，從圖中可以看到，成形后的整體壁板蒙皮表面狀況良好，沒有大的起伏，加強筋形狀規(guī)則，無任何缺陷，而且圓弧連續(xù)，曲率均勻，選取3個不同方向的截面對壁板的圓弧半徑進行測量，取其平均值獲得成形后壁板的圓弧半徑R為999.8 mm，滿足尺寸精度要求。這主要是因為采用柔性補強技術(shù)保證了整體壁板在壓彎過程中實現(xiàn)等厚度及等剛度，有效地改善了壁板的受力狀況，提高了壁板的抗失穩(wěn)能力，使得壁板在成形的過程中各部分的變形不均勻性減小。該實驗證明，用此方法進行整體壁板的成形，可行、可靠。

圖6 采用柔性補強技術(shù)壓彎成形后的整體壁板Fig.6 Integral panel workpiece after press forming using lactoprene wad flexible strength compensation

3 帶法蘭異構(gòu)壁板精密成形工藝研究

3.1 帶法蘭異構(gòu)壁板特點分析

某大型空間航天器殼體結(jié)構(gòu)主要由柱段壁板和錐段壁板焊接組成，其中部分整體壁板為帶法蘭異構(gòu)壁板，如圖7所示。

圖7 帶法蘭異構(gòu)壁板示意圖Fig.7 Structure of the integral panel with flanges

帶法蘭異構(gòu)壁板材料為5A06防銹鋁合金，熱處理狀態(tài)為H112，主要有以下特點：

1）外形尺寸大、網(wǎng)格數(shù)量多、截面厚薄不均，整體剛性弱、成形困難。帶法蘭異構(gòu)壁板展開最大尺寸可達3000 mm×1500 mm，其上分布著近百個網(wǎng)格，網(wǎng)格最厚處達35 mm，最薄處僅為2.5 mm，壁板厚薄不均造成壁板剛性很弱極易變形，并且成形過程中容易出現(xiàn)受力不勻，而造成加強筋失穩(wěn)，進而使網(wǎng)格發(fā)生畸變，造成產(chǎn)品報廢。

2）壁板存在厚度差和剛度差，成形時極易產(chǎn)生斷裂。帶法蘭異構(gòu)壁板結(jié)構(gòu)復雜、精度高，且種類多，法蘭形式多樣呈且不規(guī)律分布，其存在的最大法蘭外徑可達Φ380 mm，厚度達到35 mm。這些法蘭的存在造成壁板存在突變位置和厚度差，整體具有較大的剛度差，成形時，成形抗力存在較大差別，容易發(fā)生嚴重的不均勻變形，法蘭周圍的過渡區(qū)在變形過程中極易產(chǎn)生斷裂，成形工藝難度很大，如圖8所示為采取直接壓彎造成法蘭過渡處斷裂的壁板。

圖8 直接壓彎造成法蘭過渡處斷裂的壁板Fig.8 The crack of integral panel with flanges owing to direct press bending

總之，帶法蘭異構(gòu)壁板比普通整體壁板成形難度更大，且該類型壁板的成形在國內(nèi)外研究的較少，無相關(guān)經(jīng)驗可借鑒，因此急需新的工藝技術(shù)攻關(guān)來實現(xiàn)該類壁板成形制造。

3.2 精密成形工藝方案

根據(jù)上述壁板的特點以及前期的有限元模擬分析和工藝實驗驗證結(jié)果，本文提出一種先平板數(shù)銑加工網(wǎng)格和法蘭外形，然后柔性補強技術(shù)和分段壓彎成形技術(shù)相結(jié)合的工藝方法來實現(xiàn)帶法蘭壁板的精密成形，最后再進行尺寸穩(wěn)定化處理和機械加工切除工藝余量的制造流程，其詳細的工藝流程如圖9所示。

圖9 帶法蘭異構(gòu)壁板成形工藝流程Fig.9 The press bending process of integral panel with flanges

3.3 分段壓彎成形模具

帶法蘭異構(gòu)壁板壓彎成形時，會產(chǎn)生比較大的回彈［12］，因此必須在壓彎模具設計的時候就預先給模具留出必要的回彈余量，否則壓彎成形后的壁板難以通過穩(wěn)定化處理的方式消除回彈而完成校形。壓彎模具主要由上模、下模組成，該模具最大特點就是通用性強，對產(chǎn)品的外形尺寸適應性強，大大節(jié)約了模具的生產(chǎn)成本。圖10為帶法蘭柱段壁板和錐段壁板分段壓彎模具裝配圖。

圖10 帶法蘭異構(gòu)壁板分段壓彎模具裝配圖Fig.10 The segmented press forming die assembly of the integral panel with flanges

3.4 帶法蘭異構(gòu)壁板的精密成形工藝研究

根據(jù)工藝方案，首先利用振動消除應力方法消除平板的殘余應力，減小壁板數(shù)控銑加工過程中產(chǎn)生的變形，然后將平板放在三軸數(shù)控銑床上進行加工網(wǎng)格和法蘭，加工完成后，采用柔性補強技術(shù)將聚氨酯橡膠塊填充到壁板加工完成的網(wǎng)格中，如圖11所示為填充完的平面帶法蘭壁板。

圖11 聚氨酯橡膠塊填充完的平面帶法蘭壁板Fig.11 Columned and coniform integral panel with flanges after filling rubber blank

最后將填充完成的帶法蘭異構(gòu)壁板放到500 t液壓機上成形，為保證成形過程中法蘭過渡處不發(fā)生斷裂，先讓法蘭兩側(cè)的過渡處產(chǎn)生局部塑性變形，其次讓法蘭中央部位產(chǎn)生塑性變形，最后進行普通網(wǎng)格部位的成形，壓彎過程如圖12所示。

在每次壓彎過程中，通過不斷加大模具加載力，保證整體壁板和上下模具完全貼合，卸載發(fā)生回彈后，對成形后圓弧用檢測樣板進行比照檢測。如果實際的圓弧半徑與樣板半徑相差較大，可進行多次壓彎。另外，為保證壓彎成形后的尺寸精度，在整體壁板壓彎成形后，采取穩(wěn)定化處理的方式校形即將熱處理工裝和壁板進行裝配，然后進行熱處理校形，以獲得滿足尺寸要求的壁板。校形完成后，利用檢測樣板對成形壁板的半徑進行檢測，看其是否滿足設計要求。最后對成形后的壁板進行熒光和X光探傷，來檢測成形后的壁板是否存在任何形式的內(nèi)部和外部裂紋。圖13所示為成形完的帶法蘭的柱段和錐段異構(gòu)壁板。

圖12 帶法蘭異構(gòu)壁板分段壓彎過程Fig.12 Segmented press forming process of integral panel with flanges

從圖13中可以看出，采用該方法成形的帶法蘭壁板蒙皮與加強筋表面質(zhì)量良好，曲率均勻，無任何缺陷，滿足尺寸精度要求。這主要是因為采用柔性補強技術(shù)將帶法蘭整體壁板的剛度均勻化，保證了壁板的等厚度及等剛度，同時提高壁板的整體剛度和抗失穩(wěn)能力，使成形過程中的加強筋和法蘭過渡處不容易產(chǎn)生斷裂；同時采取的分段壓彎成形技術(shù)使壁板的難變形的部位先產(chǎn)生局部塑性變形，然后根據(jù)變形的先后順序通過移動模具使壁板的其他部位產(chǎn)生局部變形，直到完成所有部位的整體成形，避免了法蘭過渡處不均勻受力過大而產(chǎn)生斷裂。

圖13 成形完的帶法蘭的柱段和錐段壁板Fig.13 Columned and coniform integral panel workpiece with flanges after press forming

采用柔性補強技術(shù)和分段壓彎成形技術(shù)相結(jié)合的工藝方法順利完成某大型空間航天器帶法蘭異構(gòu)整體壁板的精密成形，如圖14所示。

圖14 帶法蘭異構(gòu)壁板在某大型空間航天器應用示意圖Fig.14 Application of columned and coniform integral panel with flanges in a large spacecraft

4 結(jié)論

1）整體壁板直接壓彎成形過程中，塑性變形主要集中于加強筋處，加強筋處的應力值較大，蒙皮處的應力值較小，加強筋及其交匯處應力比較集中，應力值最大，為成形薄弱區(qū)。

2）采用柔性補強技術(shù)可以將帶法蘭整體壁板的剛度均勻化，保證壁板的等厚度及等剛度，同時提高壁板的整體剛度和抗失穩(wěn)能力，使成形過程中的加強筋和法蘭過渡處不容易產(chǎn)生斷裂。

3）利用柔性補強技術(shù)和分段壓彎成形技術(shù)相結(jié)合的工藝方法可改善帶法蘭異構(gòu)壁板的受力狀況，提高其抗失穩(wěn)能力，避免成形過程中由于零件厚度突變導致的剛性突變而造成的開裂問題，利用此方法實現(xiàn)了某大型空間航天器的帶法蘭異構(gòu)壁板的精密成形。

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（責任編輯：龍晉偉）

Research on Precision Forming Technology for Large Integeral Panel with Flanges of a Spacecraft

XU Aijun， JIA Yuerong，ZHAO Changxi
（Beijing Spacecrafts Manufacturing Factory， China Academy of Space Technology， Beijing 100194， China）

TG389

A

1674-5825（2017）05-0619-07

2016-08-15；

2017-08-10

許愛軍，男，博士，高級工程師，研究方向為柔性介質(zhì)成形技術(shù)及鈑金先進制造技術(shù)。E-mail：hitxuaijun＠163.com