金属三维点阵结构是一种由实心面板和低密度芯体组合而成的新型多职能轻量化结构, 其综合力学机能优越, 兼具吸能、 储物和高效散热等多种职能, 可能优良符合合金零部件的结构-职能一体化需要, 在幼型化卫星、 飞行器发起机尾喷管和壳体防护装甲等多多领域拥有优良的利用潜力 [1-3] 。 而以钛合金为基础造备的三维点阵结构又能实现结构耐蚀性、 耐热性和轻质高强蹬着势机能的进一步结合。 超塑成形/ 扩散衔接 (Superplastic Forming/ Dif-fusion Bonding, SPF/ DB) 工艺是资料成形以及固相焊合工艺的有机结合, 可用于高质高效地造作拥有复杂构型迪胙合金空心、 夹层结构。 目前, SPF/ DB工艺已成为造备钛合金两层板、 多层板和三维点阵结构的沉要技术步骤 [4] 。

韩数 [5] 以 SPF/ DB 工艺造备了 TA15 钛合金金字塔型点阵结构, 钻研了芯板厚度、 筋条宽度、 单元尺寸等参数与点阵结构平压和弯曲力学机能间的关联法规。 WuDP 等 [6] 利用 SPF/ DB 工艺造备了TC31 钛合金四层板结构, 量化表征了四层板结构边缘侧壁的危险值, 并以为结构的压缩粉碎模式重要为扩散衔接区域的脱焊。 赵冰等 [7] 选取 SPF/ DB 工艺造备了 TC4 钛合金 X 型、 金字塔型和四面体型点阵结构, 比对了分歧结构类型、 单元大幼和点阵层数的点阵结构的压缩力学机能, 并以为四面体型和金字塔型点阵结构别离拥有最高抗压强度和最高抗压模量。 DuZH 等 [8] 通过有限元仿照步骤确立了Ti 2 AlNb 合金蜂窝结构的最优结构参数为扩散衔接区域宽度为 10mm, 并利用 SPF/ DB 工艺造备了Ti 2 AlNb 合金蜂窝结构以检验仿真了局的正确性。

然而, 当前对于成形后迪胙合金点阵结构的变形失效过程的正确仿照, 还未有深刻钻研。

近 α 型 TA32 钛合金具备高比强度、 高比刚度、高耐蚀性和良好抗高温蠕变机能, 是一种新型金属结构资料 [9-10] 。 本文发展了 TA32 钛合金点阵结构的超塑成形、 平面压缩和三点弯曲力学机能的尝试与仿真钻研。 利用保留点阵结组成形缺点细节的模型进行了结构承载变形仿真。 针对于边缘部位点阵结构存在的侧壁蒙皮以及成形缺点, 探求了边缘蒙皮部位与传统的中心部位单胞点阵结构分歧的变形特点与粉碎模式。

1、尝试

1.1　点阵结构 SPF/ DB 尝试

本文钻研的金字塔型点阵结构由 40 个单元结构组成。 图 1 展示了点阵结构中的单元/ 单胞结构、 预期成形的点阵结构样件以及点阵结构关键尺寸参数。利用电火花线切割步骤造备点阵结构的芯板和面板,并对板件进行酸洗, 使用丝网印刷步骤在板件非扩散衔接区域覆涂 Si3N4 止焊剂 [11] 。 选取500t 超塑成形/ 扩散衔接专用机床以先扩散衔接、 后超塑成形的挨次进行 TA32 钛合金点阵结构的造备尝试。 首先,将高低面板和芯板叠层封焊为预造坯, 预造坯内通过抽气管路抽真空并封口, 而后在高温高压环境下保温以实现预造坯内扩散衔接。 预造坯冷却后表层覆涂止焊剂。 最后, 将预造坯沉新焊接进气管路并置入机床中升温, 充入高压氩气以成形点阵结构。

1.2　点阵结构压缩/ 弯曲力学机能尝试

选取电火花线切割步骤切割 SPF/ DB 工艺造备的点阵结构的边缘部位, 获取拥有侧面蒙皮的边缘蒙皮部位点阵结构。 凭据国度尺度 GB/ T1453—2005 [12] 和 GB/ T1456—2005 [13] , 利用 EMSYS 电子全能资料试验机进行了边缘蒙皮部位点阵结构的室温平面压缩和室温两端简支三点弯曲力学机能尝试。

压缩尝试中上压头的下压速度为 1mm.min-1。 弯曲尝试中加载头的下压速度为 2mm.min-1, 支座跨距为 240mm, 支座为固定铰链支座。

2、有限元建模

2.1　点阵结构超塑成形仿真模型

已在先前工作中进行了分歧变形温度 (920、 940和960℃) 和分歧初始应变速度 (0.001 和 0.003s-1)前提下的 TA32 钛合金超塑性单轴拉伸尝试 [14] 。 尝试了局显示, TA32 钛合金在该变形前提领域内单轴拉伸时的真应力最大值幼于 50MPa, 单轴拉伸至断裂时的真应变最大值大于 2, 这符合了 SPF/ DB 工艺对合金的低变形抗力、 高延展性和稳态蠕变的要求 [15-16] , 本文将其应力-应变数据用于点阵结构超塑成形仿真的资料模型中。

选取 Abaqus 软件进行仿真钻研。 图 2 为点阵结构超塑成形仿真模型。 上、 下模具为刚体, 面板和芯板别离为 C3D8R 单元和 C3D10M 单元, 选取 1/2 模型。 扩散衔接区域为绑定联结, 其余区域选取面-面接触算法。 通过幅值曲线节造载荷变动。 在前处置法式中约束资料变形应变速度为0.001s-1。

2.2　点阵结构压缩仿真模型

为获得点阵结构压缩、 弯曲过程仿真分析所需资料属性, 在点阵结构的预留飞边地位切割得到单轴拉伸试样, 标距段长度为 30mm, 截面积为6.0mm×2.3mm。 利用 LE5205 电子能资料试验机发展拉伸尝试, 变形温度为室温, 拉伸速度凭据国际尺度 ISO6892-1:2009 [17] 。

图 3 展示了点阵结构的边缘蒙皮部位和中心部位的压缩仿真模型。 仿真所用原始模型由 2.1 节的超塑成形仿真所得的点阵结构的孤立网格模型提取转换而来。 其中, 边缘蒙皮部位点阵结构 (状态与尺寸等同 1.2 节压缩尝试用试件) 的上面板、 芯体(变形后芯板) 和下面板均由孤立网格天生几何实体而得到。 中心部位点阵结构的面板和芯体均直接由孤立网格编纂得到, 并选取了 1/2 对称模型。 边缘蒙皮部位点阵结构的面板和芯体别离为 C3D8R 单元和 C3D10M 单元, 中心部位点阵结构的面板与芯体保留了超塑成形仿真模型的网格尺寸与单元类型。上方解析刚体平面 (上压头) 以1mm.min-1的速度下压, 下方解析刚体平面 (下压头) 齐全固定。

2.3　点阵结构弯曲仿真模型

图 4 展示了边缘蒙皮部位和中心部位点阵结构两端简支三点弯曲的仿真模型。 边缘蒙皮部位点阵结构 (状态与尺寸等同 1.2 节弯曲尝试用试件) 的上面板与芯体均由孤立网格编纂得到, 下面板由孤立网格天生几何实体得到。 中心部位点阵结构的上面板由孤立网格天生几何实体得到, 芯体与下面板直接由孤立网格编纂得到, 并选取了 1/2 对称模型。

支座与加载头参照了尝试夹具而建模为半径为15mm 的解析刚体圆柱壳。 边缘蒙皮部位点阵结构和中心部位点阵结构的支座跨距别离为 240 和160mm。 非几何实体的面板、 芯体保留了点阵结构超塑性成形仿真模型的 C3D8R 单元和 C3D10M 单元, 其余几何实体模型为 C3D8R 单元。 加载头沿加载方向以 2mm.min-1的速度进行位移, 同时约束下面板沿宽度方向的位移。

3、了局与会商

3.1　点阵结组成形特点及优化

点阵结构超塑成形过程的应力散布云图如图 5所示。 可见, 上面板在均布载荷作用下向上模具胀形并逐步贴合型腔内壁, 下面板在均布载荷作用下始终与下模具贴合, 同时, 芯板依赖于与上、 下面板间 Tie 联结的节点区域的持续活动而产生筋条拉伸变形, 最终呈金字塔型。 由图 5a 和图 5b 可知,点阵结构在变形功夫约 700s 内即实现大变形, 并出现出根基的点阵结构描摹。 下面板的变形区域集中于受到筋条拉伸作用的节点区域; 芯板的重要变形区域为筋条以及筋条与节点的订交处; 上面板的变形最为复杂, 非节点区域为弧面且胀形显著, 节点区域同时存在着深度达 2mm 左右的凹陷。 由图5b 和图 5c 可知, 上、 下面板节点区域受筋条拉伸成形的造约而难以急剧贴合模具, 而上面板在上模具型腔边角处的贴合过程同样缓慢, 这也是点阵结构力学机能较差的区域之一 [6] 。 此表, 筋条和上面板出现优良的应力均匀散布特点, 仅在筋条订交的直角处出现了应力集中景象。

SPF/ DB 工艺造备的点阵结构如图 5e 所示。 可见芯体各筋条状态趋于一致, 变形优良, 同时各节点区域无肉眼可见的脱焊景象, 节点区域扩散衔接成效优良。 点阵结构中心部位的单胞结构对称度优良, 与尺度单胞结构的状态尺寸最为靠近。 边缘蒙皮部位单胞结构则向点阵结构边框部位倾斜扭曲,与仿真了局一致。

点阵结构超塑成形过程中的最大应变速度、 气压加载曲线如图 6 所示。 由图 6a 可知, 点阵结构最大应变速度集中于 0.0006 ~ 0.0010s-1的领域内并持续震荡, 根基靠近于指标应变速度 0.0010s-1。

图 6b 中气压加载曲线则呈阶梯状逐级攀升, 攀升点对应了最大应变速度曲线的波峰与波谷, 可见持续地加压阻止了成形应变速度的降低, 并使得最大应变速度不休回升。 此表, 使得点阵结构齐全成形的气压峰值达 20MPa 以上, 成形设备靠得住性与成形过程不变性难以保障。 因而, 基于已有气压加载曲线, 首先令气压以 0.03MPa.min-1的速度升至MPa, 再 以 0.38MPa.min-1的 速 率 升 至2.00MPa, 使得点阵结构在成形前期 (大变形期间)满足指标变形应变速度需要, 保障点阵结构在最佳超塑性变形前提下成形, 成形后期保压于 2.00

MPa 并耽搁变形功夫以满足设备不变性需要和节点区域贴模要求。

图 7 为利用优化气压加载曲线后的超塑成形仿真了局。 优化加载曲线使得点阵结组成形期间的应力始终低于 20MPa。 点阵结构齐全成形的功夫则由优化前的 1543s 耽搁至 3575s, 以实现低压强下的节点与边角处贴模。 优化的气压加载曲线可为点阵结构超塑性成形过程中的工艺参数拔取和工艺优化提供理论凭据。

由于超塑成形模具的上模型腔预先设计了拔模斜度, 边缘蒙皮部位在上面板的带头下出现筋条成形不齐全等缺点, 只有点阵结构几何中心左近的单胞结构维持了相对尺度的几何尺寸。 图 8 反映了分歧部位芯体变形情况及筋条、 节点的减薄率。 可见中心部位和边缘蒙皮部位单胞结构尺寸别离 为79.96 和 79.59mm, 与设计的单胞结构尺度尺寸80mm 根基一致。 由图 8a 可知, 中心部位芯板变形优良、 结构对称度较高。 其中, 筋条的减薄率最高,o 点 (上节点中心处) 减薄率较高, 两下节点中心处减薄率最低, 此表筋条与上、 下节点订交处的减薄率均一致。 这是由于上、 下节点受模具结构和气压大幼的影响而导致变形贴膜功夫不一, 易产生变形不均匀等问题。 由图 8b 可知, 边缘蒙皮部位的 o 点显著左袒于点阵结构飞边地位, 边缘蒙皮部位单胞结构状态严沉偏离尺度单胞结构状态, 右侧筋条变形量较幼,左侧的筋条减薄率过大, 且上模具型腔圆角区域未设计焊合节点区域, 边缘蒙皮部位单胞结构出现了筋条过度伸长变形、 筋条变形不齐全以及扭曲景象。

3.2　点阵结构压缩变形特点

图 9a~图 9f 为边缘蒙皮部位点阵结构压缩变形了局。 仿真了局凭据建模时的 OXYZ 坐标系给出了 OY 和 OX 方向视图。 可知, 压缩变形过程中的重要变形特点为筋条塑性愚笨和结构剪切变形,且两者交互作用。 其中, 结构剪切变形的出现是由于上面板与上方刚体平面产生了沿 OX 轴的相对位移, 上面板带头芯体产生剪切变形。 而剪切变形显著影响了筋条愚笨过程, 使得筋条在沿其长度方向的弯曲变形过程中又产生沿宽度方向的卷曲变形。 此表, 较幼的惯性矩又使得筋条极易失稳以至出现为 “S” 型。

图 9h 为压缩变形过程载荷-位移曲线, 其中b~f 对应图 9b~图 9f 所示的分歧变形时刻, I~ V 暗示分歧变形阶段。 可知, Ⅰ阶段内点阵结构首先产生筋条弹性变形, 同时上面板沿 OX 方向的位移达到临界点, 继而带头 3 根筋条产生拉伸变形而非愚笨变形, 上面板的持续活动受到限度, b 点时刻载荷曲线攀升到极值 8.12kN。 b 点之后 4 根筋条持续受压弯曲而先后产生塑性愚笨变形, Ⅱ阶段内载荷随之降落, 同时此阶段内已能观察到剪力作用下筋条的卷曲变形。

c 点时刻中心地位的 1 根筋条率吓纂下面板形成相对不变的支持结构, 使得载荷曲线沉新起头上升。 Ⅲ阶段内 4 根筋条先后与面板间形成支持结构,而压力与剪力令筋条与面板的接触地位不休扭转,筋条与面板间产生剧烈摩擦, 这均使得Ⅲ阶段的载荷逐步增大。 同时上面板也出现了大幅凹陷, 对筋条产生挤压作用。d 点时刻筋条已经出现显著的二次愚笨变形。Ⅳ阶段内筋条卷曲水平起头加剧, 其中二次愚笨的筋条部门率先起头卷曲变形, 扭矩作用下筋条与面板间接触应力提高, 支持点沿 OX 方向滑动碰壁,这又反向遏造了筋条进一步卷曲。 而上面板凹陷部门对筋条的挤压加剧, Ⅳ阶段内载荷进一步增大至峰值载荷 11.91kN (e 点时刻), 同时支持点处的筋条起头部门脱离面板。e 点时刻支持点处筋条在进一步的旋转作用下起头大幅地脱离面板, 筋条整体上远离面板并为筋条卷曲变形与二次愚笨变形提供了空间, Ⅴ阶段内载荷起头减幼, 直至预约压缩变形位移 12mm。 f 点时刻可观察到支持点处筋条显著卷曲, 筋条与面板间的接触面积已经极幼。

图 9g 为边缘蒙皮部位点阵结构压缩尝试了局？芍, 尝试中最显著特点为侧面蒙皮在结构的剪切变形与压头载荷的双沉作用下产生了折弯断裂, 减缓了结构剪切变形的剧烈水平。 中心地位筋条在二次塑性愚笨过程中断裂, 未能出现出 “S” 型愚笨状态。 部门筋条因拉伸变形而呈直线状态, 注明点阵结构变形前期的结构剪切变形较为显著, 变形后期则以筋条愚笨为主。 图 9h 还展示了点阵结构压缩尝试所得载荷-位移曲线。 曲线描摹和载荷数值与仿真了局根基一致。 筋条愚笨变形与结构剪切变形共同作用下的载荷-位移曲线可能维持大体上的水平态势, 而二次支持结构的形成和剪切力作用下的筋条剧烈卷曲导致载荷迅速攀升至峰值, 随后载荷急剧降落直至加载实现。 值妥贴心的是, 相较于仿真分析了局, 尝试中载荷提前达到峰值且峰值高达14.66kN, 这是由于尝试所用结构中心地位 1 根筋条产生了折弯断裂而非大变形为 “S” 型, 以至了载荷的激增与突降。

图 10 暗示了中心部位点阵结构压缩变形仿真了局。 可知, 筋条反复的塑性愚笨以及其与面板间形成的支持主导了中心部位点阵结构的全数变形过程,变形过程可划分为 4 个阶段。 Ⅰ阶段内, 筋条在压力作用下产生弹性愚笨变形, 压头载荷迅速攀升,直至 b 点时刻筋条起头产生塑性愚笨变形, 载荷达到极值 3.51kN。 Ⅱ阶段内, 不休弯曲变形的筋条以至载荷降落。 c 点时刻弯曲状筋条与面板间形成支持结构, 造止了载荷降落趋向, 且压力作用下支持点地位不休表移, 筋条多个部位均产生了剧烈弯曲变形, Ⅲ阶段内的载荷持续升至峰值 6.78kN (d点时刻)。 d 点时刻筋条与面板间形成相对不变的支持结构且支持点不再移动, 而切近面板的筋条持续产生二次塑性愚笨变形, 使得点阵结构持续致密化,压缩载荷不休降低直至 e 点时刻。 与边缘蒙皮部位点阵结构相比, 中心部位点阵结构抗压缩能力较差,但侧面蒙皮的缺失和相对优良的对称水平使得中心部位点阵结构的变形过程越发扼要, 其变形特点内容为筋条的反复弹性、 塑性愚笨以及剧烈弯曲变形。

3.3　点阵结构弯曲变形特点

图 11a~图 11d 为边缘蒙皮部位点阵结构弯曲变形了局, 凭据建模时的 OXYZ 坐标系给出了 OX 方向视图以及 OXZ 面的截面图, 重要展示加载头作用下的截面变形情况。 可知, 筋条愚笨与上面板皱曲、凹陷是变形过程中的重要特点, 较大的尺寸也使得筋条塑性愚笨仅集中于 1 个单胞结构内, 其余单胞结构筋条处于拉伸变形或弹性愚笨变状态态。 相较于压缩变形, 弯曲变形过程中由于结构受力变形区域集中于加载头左近 (弯矩最大处), 长度方向阵列的数个单胞结构变形量幼, 遏造了点阵结构沿 OX方向的剪切变形。

图 11f 为弯曲变形过程中的载荷-位移曲线。 可见, Ⅰ阶段内载荷近似于均匀增大, 资料整体处于弹性变状态态, 唯有侧面上面板区域因弯曲模量较大而首先进入塑性变状态态并接受较高载荷, 直至210s 左右 (b 点时刻), 加载头下地契胞结构内的2根筋条出现了塑性愚笨变形, 此时载荷达到峰值3.81kN 并起头降落。 Ⅱ阶段内载荷数值颠簸较幼,出现出安稳的减幼趋向, 直至预约变形功夫 720s。其中, c 点时刻塑性愚笨的 2 根筋条与下面板接触并形成不变支持, 然而载荷未有显著变动, 这是由于愚笨筋条下方的下面板同时受多个节点区域的载荷作用, 近似处于四点弯曲状态, 愚笨筋条与下面板同时沿 OX 负方向移动但筋条速度略快, 愚笨筋条几近于安稳地贴合于下面板, 二者间接触面积较大而接触应力较幼, 预防了支持结构忽然形成所致的载荷激增景象。 此表, d 点时刻前夕中心地位单胞结构的 1 根筋条与下面板形成了新的不变支持。

图 11e 为边缘蒙皮部位点阵结构三点弯曲变形尝试了局。 变形过程中存在筋条塑性愚笨与支持结构形成等变形特点, 然而卸去载荷后, 结构迅速产生回弹变形, 加载头下方筋条与下面板形成的支持隐没, 经历了复杂弯曲变形过程 (三点弯曲、 四点弯曲等交互作用) 的下面板也近似复原为平面, 点阵结构中除上面板、 中心地位筋条以表的结构均复原优良, 批注所钻研的点阵结构拥有较幼的弹性模量与优良的弯曲韧性。 此表, 加载头下方的侧面上面板出现了显著的分裂缝迹, 这降低了加载头位移过程中遇到的阻力。 图 11f 还暗示了点阵结构弯曲尝试的载荷-位移曲线, 曲线整体走势与仿真分析了局趋近。 相较于仿真分析了局, 尝试过程中上面板产生皱曲与屡次分裂, 裂隙交叉, 这使加载头嵌入了面板分裂所形成的空腔中, 载荷-位移曲线剧烈荆棘且载荷大幅降低 [18] 。 此表, 尝试中支持结构形成时, 筋条并非缓慢地、 大面积地贴合鄙人面板上, 而是筋条弯曲中心角区域以较快的速杜纂下面板产生幼面积接触, 这导致了更大的接触应力, 继而对载荷-位移曲线产生影响。

图 12 为中心部位点阵结构弯曲变形仿真了局。Ⅰ阶段内结构产生弹性变形而载荷攀升。 当载荷上升至 1.67kN 时 (b 点时刻), 中心地位单胞结构内的 6 根筋条险些同时产生了塑性愚笨变形, 由此Ⅱ阶段内载荷迅速降落。 c 点时刻中心单胞结构内的 6根弯曲变形的筋条同时与面板间形成较为不变的支持结构, 使得Ⅲ阶段的载荷起头逐步上升, 直至变形实现。 与边缘蒙皮部位点阵结构相比, 中心部位点阵结构占有较幼的跨距, 但侧面蒙皮的缺失使得其抗弯曲能力更差, 此表, 能够预测到载荷卸载后其必将产生大幅回弹变形。 中心部位点阵结构的变形过程重要依赖于筋条的塑性愚笨以及筋条-面板间支持结构的形成, 面板仅出现出微幼的皱曲变形景象。

4、结论

(1) 实现了 TA32 钛合金点阵结构超塑成形仿真过程的变形应变速度约束。 针对指标变形应变速度和点阵结构良好成形优化了气压加载曲线以为SPF/ DB 工艺造备点阵结构提供领导。 探求了点阵结构的中心部位与边缘蒙皮部位的状态尺寸特点及差距, 边缘蒙皮部位单胞结构出现筋条过度伸长变形、 筋条变形不齐全以及扭曲变形等特点。 选取超塑成形后的孤立网格成立了保留超塑变形缺点的点阵结构力学机能仿真模型。

(2) 边缘蒙皮部位点阵结构压缩变形重要特点为筋条塑性愚笨和结构的剪切变形同时产生, 各筋条支持结构形成挨次不一, 筋条产生卷曲, 支持点显著偏移, 且多个变形特点同时或交错出现。 中心部位点阵结构压缩变形重要特点为筋条的屡次塑性愚笨变形以及筋条-面板间支持结构的形成。

(3) 边缘蒙皮部位点阵结构弯曲变形重要特点为上面板皱曲和筋条塑性愚笨, 变形区域集中于加载头左近, 剪切变形受到遏造, 同时尝试了局还批注, 点阵结构拥有较幼弹性模量与优良弯曲韧性。中心部位点阵结构弯曲变形重要特点为中心单胞结构的筋条塑性愚笨变形和筋条-面板间支持结构的形成。

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