[NSFC]金属板料冲击变形力学机理与冲击成形关键技术的研究

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1、申请代码 E050802 受理部门 收件日期 受理编号 解除保护 国家自然科学基金 国家自然科学基金 申 请 书 申 请 书 2 0 1 1 版 2 0 1 1 版 资助类别 面上项目 亚类说明 附注说明 项目名称 金属板料冲击变形力学机理与冲击成形关键技术的研究 申 请 人 电话 依托单位 通讯地址 邮政编码 单位电话 电子邮箱 申报日期 2011年3月3日 国家自然科学基金委员会 国家自然科学基金申请书 2011 版 第 2 页 版本 1 003 738 基本信息基本信息 yoqW22ZY 申申请请人人信信息息 姓名 性别 男 出生 年月 民 族 汉族 学位 博士 职称 副教授 每年工作时

2、间 月 10 电话 电子邮箱 传真 国别或地区 中国 个 人 通 讯 地 址 工作单位 扬州大学 机械工程学院 主 要 研 究 领 域 塑形成形技术 先进制造技术 依托单位信息依托单位信息 名称 扬州大学 联系人 电子邮箱 电话 网站地址 合作研究单位信息合作研究单位信息 单 位 名 称 在此录入修改 在此录入修改 项项目目基基本本信信息息 项目名称 金属板料冲击变形力学机理与冲击成形关键技术的研究 资助类别 面上项目 亚 类 说 明 附注说明 申请代码 E050802 塑性加工工艺 模具与 装备 E051002 数字化制造与智能制造 基地类别 研究期限 2012 年 1 月 2015 年 1

3、2 月研究属性 应用基础研究 申请经费 61 0000 万元 摘摘要要 限限 400400 字字 较小的冲击动能就会引起板料的局部塑性变形 采用高频 高速的冲击杆有序 的作用于金属板料可以实现板料的可控成形 板料冲击变形是一种局部双向拉伸高应变率变 形 这种变形形式可以提升板料成形能力 研究金属板料在双向拉伸高应变率下的应力应变 本构模型 分析冲击速度 冲击动能与板料的变形形态及变形量的关系 不仅为板料渐进冲 击成形奠定理论基础 也为高韧性板料的冲击成形以及飞行器 车辆等器械的板料防护与破 损研究提供一种途径 近百年来金属曲面板件主要使用模具冲压成形 随着相关学科快速发展与相互融合 将最传 统

4、的板料人工锤击成形工艺融合数控技术 计算机图形学与工程力学理论 探索金属板料渐 进冲击成形 实现曲面板件的快捷与精确成形 板料渐进冲击成形效率与精度不仅与冲击动 能与速度有关 也与板料的渐近冲击成形路径 冲击成形工艺参数也密切相关 对这些关键 技术的研究将为板料渐进冲击成形技术的应用打下理论与技术基础 关关 键键 词词 用分号分开 最多 5 个 板料 成形 冲击 高应变率 样条曲线 国家自然科学基金申请书 2011 版 第 3 页 版本 1 003 738 项目组主要项目组主要参与者参与者 注 项目组主要参与者不包括项目申请人 编号 姓 名 出生年月 性别 职 称 学 位 单位名称 电话 电子

5、邮箱 项目分工 每年工 作时间 月 1 1949 7 25 男教授硕士扬州大学 方案论证与 规划 8 2 1957 3 12 男教授博士扬州大学 材料冲击试 验系统设计 10 3 1954 4 27 男 高级工程 师 硕士扬州大学 试验装置的 设计与制造 10 4 1976 3 9 男讲师硕士扬州大学 力学分析与 仿真 10 5 1971 9 23 男工程师硕士扬州大学 板料冲击变 形试验 10 6 1987 8 21 男硕士生学士扬州大学 冲击成形路 径规划 10 7 1988 8 23 男硕士生学士扬州大学 77 自动数控编 程软件开发 10 8 9 总人数 高级 中级 初级 博士后 博士

6、生 硕士生 8 4 2 2 说明 高级 中级 初级 博士后 博士生 硕士生人员数由申请人负责填报 含申请人 总人数由各分项自动加和产生 国家自然科学基金申请书 2011 版 第 4 页 版本 1 003 738 经费申请表经费申请表 金额单位 万元 科目 申请经费 备注 计算依据与说明 一一 研究经费研究经费52 0000 1 科研业务费22 0000 1 测试 计算 分析费8 0000 板料冲击变形试验测试 数值模拟分析计算 2 能源 动力费4 0000 电力 机油等消耗 3 会议费 差旅费4 0000 会务费 调研费 4 出版物 文献 信息传播费4 0000 论文版面费 文献 纸张 打印费

7、 5 其他2 0000 资料费 等 2 实验材料费13 0000 1 原材料 试剂 药品购置费8 0000 试验用材料与材料预加工费 2 其他5 0000 试验用各种易损传感器 电器耗材 冲击构件费用 3 仪器设备费10 0000 1 购置4 0000 试验专用测试仪器的购置 2 试制6 0000 试验装置部分工装的加工 4 实验室改装费4 0000 实验室环境与试验条件的改善 5 协作费3 0000 个别测试仪器的外协与使用费 二二 国际合作与交流费国际合作与交流费3 0000 1 项目组成员出国合作交流3 0000 出国参加国际学术交流费用 2 境外专家来华合作交流 三三 劳务费劳务费3

8、0000 研究生劳务补助 四四 管理费管理费3 0000 科研项目管理费 合合 计计 61 0000 与本项目相关的 其他经费来源 国家其他计划资助经费 其他经费资助 含部门匹配 22 0000 其他经费来源合计其他经费来源合计 22 0000 国家自然科学基金申请书 2011 版 第 5 页 申请者在撰写报告正文时 请遵照以下要求 1 请先选定 项目基本信息 中的 资助类别 再填写报告正文 2 在撰写过程中 不得删除系统已生成的撰写提纲 如误删可点击 查 看报告正文撰写提纲 按钮 通过 复制 粘贴 恢复 3 请将每部分内容填写在提纲下留出的空白区域处 4 本要求将作为申请书正文撰写是否规范的

9、评判依据 请遵照要求填写 查看报告正文撰写提纲 报告正文报告正文 面上项目申请书撰写提纲面上项目申请书撰写提纲 一 立项依据与研究内容 一 立项依据与研究内容 4000 8000 字 1 项目的立项依据项目的立项依据 研究意义 国内外研究现状及发展动态分析 需 结合科学研究发展趋势来论述科学意义 或结合国民经济和社会发 展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景 附主要参考 文献目录 曲面板料成形件具有薄壳的结构特点 并且重量轻 材料省 受力状态好 几何造型流畅 随着 现代工业的飞速发展 曲面板料成形件的需求量越来越大 特别是在航空航天 轮船舰艇 车辆 风力发电装置等行业 曲面板料成形件占

10、有举足轻重的地位 目前曲面板件传统的成形方法主要是 使用模具冲压成形 1 而模具的设计制造周期比较长 需要长时间的反复试模 且模具材料和加工 成本都比较高 因此传统的模具冲压成形方法很难满足此类要求 2 特别对于中小批量的曲面板件 如采用传统的整体模具冲压成形 更显得其制造成本高 周期 长 一些复杂形状板件 在使用整体模具冲压成形过程中 常常发生板料的起皱或破裂等现象 这 样也限制了板料的冲压成形能力 另外 对于一些难以加工的材料 采用传统的冲压工艺不易成形 因此 需要探索新型的板料成形方式 以提升板料的成形效率与成形质量 拓展板料成形能力 国内外许多学者一直致力于板料塑性成形新技术的研究 努

11、力实现金属板料快速高效的柔性冲 压和无模成形 以适应现代制造业产品快速更新的市场竞争需要 3 板料柔性成形技术和可重构模 具技术得到广泛的重视与发展 这为板料塑性成形新技术的研究与应用提供了新的空间 近年来出 现了多种板料柔性加工方式 以适应这种多变的市场需求 1 1典型的板料柔性加工方式典型的板料柔性加工方式 现有的板料柔性成形和无模成形技术主要有旋压成形 电磁力成形 激光热效应成形 激光冲 击成形 多点成形法 喷丸成形法 高压水喷射成形法 无模液压胀形法 压杆式数控渐进成形法 等技术 国家自然科学基金申请书 2011 版 第 6 页 1 压杆式数控渐进成形技术 压杆式数控渐进成形技术 20

12、 世纪 90 年代初 日本学者松原茂夫提出了一种新型的金属板料成形工艺 金属板料渐进成 形技术 为板料的柔性成形开辟了一 条新路 板料渐进成形工艺的思路是 将复杂的三维形状分解成一系列等 高线层 并以工具头沿等高线运动的 方式 在二维层面上进行塑性加工 实现了金属板料的数字化制造 4 板料数控渐进成形的加工过程 如图 1 所示 板料成形时 首先将被 加工板料置于一个通用芯模上 在托 板四周用压板夹紧板料 该托板可沿 导柱上下滑动 然后将该装置固定在 三轴联动的数控成形机上 成形工具 头走到指定位置 分层渐进下压板料 使板料成形 4 5 数控渐进成形技术的特点 a 是一种无模成形技术 用工具压头

13、迫使板料成形 b 只需变更程序就可改变板料成形形状 c 少批量生产可以降低模具费用 d 三轴 CNC控制操作性好 e 低噪音 高安全性 f 成形板件的尺寸精度很难控制 加工效率有待提升 g 在成形不规则曲面板件时 需要定制专用的支撑模型 2 激光冲击成形激光冲击成形 激光冲击成形是利用激光诱导的冲击波压力作为板料塑性成形的变形力 从而实现金属板料的 塑性变形 图 2 为实验装置示意图 在激光作用下 能量吸收层的快速气化对板料产生冲击力 迫 使板料产生塑性变形 6 金属板料激光冲击技术是一 种无模成形技术 7 其主要特点是 a 加工柔性大 既可成形单曲率外形板料 又可 成形双曲率外形板料 b 可

14、对难加工的板料进行成形 c 无需模具 加工柔性高 成形后材料性能好 d 在较大面积板料成形时 由于冲击力的大小以 及力的作用方向很难控制 因此板料成形精度很难预 先控制 e 由于一次激光冲击板料变形量很小 板料需要 多次成形 每次成形需要重新涂覆能量吸收层 板料 变形后 透明的约束层目前很难实施 3 无模 无模多点成形技术多点成形技术 20 世纪 70 年代 日本造船界开始研究多点成形压力机 并成功应用于船体外板的曲面成形 此后许多学者为开发多点成形技术进行了大量的探讨与研究 制作了不同的样机 在国内吉林工业 大学李明哲等人对无模多点成形技术进行了较为系统的研究 已自主设计并制造了具有国际领先

15、水 平的无模多点成形设备 2 a 板料成形前 b 板料成形中 图图 1 1 压杆式数控渐进成形示意图压杆式数控渐进成形示意图 1 激光脉冲 2 压板装置 3 约束层 4 能量吸收层 5 工件 图图 2 2 板料激光冲击成形示意图板料激光冲击成形示意图 国家自然科学基金申请书 2011 版 第 7 页 其基本原理是利用一系列规则排列的 高度可调的基本体 通过对各个基本体的控制 构造出 所需形状的成形面 取代传统的模具来实现板料三维的快速无模成形 2 其原理见图 3 与图 4 根据 基本体群之间在成形过程中有无相对运 动 又可分为多点模具成形法和多点压机 成形法 a 多点模具成形 在成形前 通过计

16、算机 控制调节各基本体的高度形成所需的成形 曲面 上下基本体群在板料成形过程中分 别成为一体 相邻基本体之间无相对移动 其与传统模具成形相似 图3所示为多点模 具成形过程 b 多点压机成形 这种方法充分地利用了 多点成形方法的柔性特点 在板料成形过 程中分别控制各基本体的位移 可以给予 板料任意的变形路径 成形过程中全部基 本体始终和板料保持接触 对板料保持最大程度的约束 8 图4所示为多点压机成形过程 与传统的模具成形技术相比 多点成形技术有其自身特点 a 实现模具的快速重构 通过对基本体的调节来构造出各种不同的成形曲面 可以取代传统的整 体模具 b 优化成形路径 通过调整基本体实时控制变形曲面 改变板料的变形路径和受力状态 也可采 用反复成形新技术 保证工件的成形精度 特别是多点压机成形技术有其明显的优点 成形过程中全部基本体始终和板料保持接触 对板料 保持最大程度的约束 有效地抑制起皱 提高板料变形能力 但是多点压机成形技术是对众多基本 体进行实时调整控制 且基本体调整的驱动力大 目前在技术上难以实施 4 4 多点压板成形方式多点压板成形方式 借鉴多点压机成形技术的优点 又要降低