北航團隊：殘餘應力在鋁合金整體壁板多工藝複合成形過程中的演變與影響
鋁合金帶筋整體壁板可同時實現航空航天裝備輕量化與性能的極大提升，在新一代飛行器機身、機翼等關鍵構件中有着廣泛的應用需求與潛力，實現其整體精確製造具有重要意義。帶筋壁板複雜曲面外形+高筋條的結構特點使得銑削、連接、塑性成形等多工藝複合製造方法成爲實現其整體制造的發展趨勢。
一種典型路徑如圖1所示，壁板件首先由原材料通過機械加工、焊接、3D打印等工藝製備，接着進行成形和熱處理，最終獲得具有預期形狀和性能的產品。在整個製造過程中，每一步都不可避免地在構件表面與內部產生殘餘應力，前序工藝產生的殘餘應力導致後續工藝中殘餘應力重新分佈，直接影響最終構件的形狀和性能，因此對於具有高精度及高性能要求的航空航天產品，殘餘應力在多工藝複合製造過程中的影響不可忽視。
▲圖1 典型鋁合金帶筋壁板製備工藝方法（包括機械加工、焊接和3D打印）
《航空學報》（CJA）期刊發表的' Review o n residual stress and its effects on manufacturing of aluminium alloy structural panels with typical multi-processes '一文 ， 系統綜述了鋁合金整體帶筋壁板多工藝 複合 成 形過程中殘餘應力的產生機理與影響因素，以及殘餘應力對構件變形及性能的影響規律和相關研究方法。
文章首先梳理了機械加工、焊接（熔焊+攪拌摩擦焊）及3D打印3種典型壁板製備工藝產生殘餘應力的機理、關鍵影響因素及其一般分佈。其次總結了考慮不同前序製造工藝產生的殘餘應力對後續成形工藝中帶筋壁板微觀組織、宏觀變形和性能的影響的現有研究結果，並對研究殘餘應力及其影響的傳統和先進方法進行了綜述。最後，提出了帶筋壁板構件多工藝複合製造過程中考慮殘餘應力影響的研究方向，爲考慮殘餘應力影響的工藝設計提供了全面的參考，以指導航空航天覆雜帶筋壁板的高精度製造。
研究亮點
1）銑削、焊接、3D打印三類壁板預處理工藝中殘餘應力演變與關鍵影響因素。
系統梳理了銑削、焊接（激光焊接、攪拌摩擦焊）及3D打印過程中鋁合金表面及內部殘餘應力的產生機理：銑削殘餘應力由機械效應及溫度效應耦合作用產生，而焊接及3D打印殘餘應力主要由溫度效應產生，並需要考慮微觀結構的變化。根據殘餘應力的產生機理，通過定義殘餘應力分佈的關鍵點，總結了不同預處理工藝後壁板殘餘應力的典型分佈趨勢(圖2)。最後總結了影響殘餘應力分佈及大小的關鍵工藝參數，爲研究殘餘應力對後續成形制造過程的影響提供簡化的研究方法。
(a) 銑削殘餘應力
(b) 焊接殘餘應力（左）激光焊接（右）攪拌摩擦焊接
(c) 3D打印殘餘應力
圖2 不同前製造工藝殘餘應力的典型分佈趨勢
2）殘餘應力在後續成形過程演變特性及其對變形與性能影響機理與關係。
基於現有文獻，系統總結了殘餘應力在後續塑性成形過程的重分佈及其對成形後壁板回彈和強度性能的影響，形成了典型工藝路殘餘應力影響原理與規律圖（如圖3所示）。結果顯示對於中低應力應變水平的彎曲、軋製及蠕變時效成形等成形工藝，殘餘應力對成形後回彈及性能影響明顯（高達50%），明確了前序製造過程殘餘應力影響研究的必要性。然而現有研究多爲定性研究或考慮特定結構參數下的量化研究，缺乏通用性的殘餘應力影響量化表徵方法與數據，難以在實際製造與生產中實現有效應用。
圖3 殘餘應力的產生，在典型製造工藝之間的重分佈及其對產品回彈和強度的影響
3）提出了殘餘應力對壁板多工藝複合全流程形性演變量化影響的高效預測方法。
表徵和研究殘餘應力影響的常用方法可以分爲四類，包括實驗法、解析法、有限元法和機器學習法，單一方法在研究殘餘應力影響方面均具有侷限性。因此，研究團隊提出將多種研究方法結合可能一種更準確及有效的解決方案（如圖4），提出了將有限元模擬與本文定義的典型前序製造工藝殘餘應力的一般分佈相結合的混合有限元方法，結合簡單的實驗或計算，爲後續的殘餘應力影響的通用化、量化研究提供精確、高效的新方法。此外，近年來快速發展的機器學習/深度學習法被認爲是預測典型過程中殘餘應力及其影響的一種簡單且有效的方法，通過實驗和與混合有限元精確模擬相結合來實現大量高質量數據的積累，可實現其在鋁合金帶筋壁板構件全製造流程中殘餘應力及其量化影響的快速預測。
圖4 殘餘應力對壁板多工藝複合全流程形性演變量化影響的高效預測方法
研究展望
1）本文提出了機械加工、焊接及3D打印引起的帶筋壁板殘餘應力的一般分佈形式，總結了影響殘餘應力分佈的機理與關鍵因素，爲殘餘應力在後續工藝中的影響研究提供依據。
2）殘餘應力演化及其影響在鋁合金結構件製造的整個工藝鏈中具有重要意義，特別是對於低/中應變量成形工藝（如彎曲、軋製及蠕變時效等）。未來的研究需要更多地關注殘餘應力對組織和性能的影響，特別是對高溫成形或製造工藝的影響，建立鋁合金結構件製造過程中殘餘應力、變形、微觀組織和力學性能之間的量化影響關係，爲控制鋁合金結構件變形和性能的全製造流程結構與工藝設計提供直接指導。
3）簡化的混合有限元方法（實驗法/解析法+有限元法）及實驗法/有限元法+機器學習法是未來預測鋁合金帶筋壁板構件多工藝複合過程中殘餘應力及其影響的簡單且高效的新途徑，可爲建立通用性的殘餘應力影響量化關係、實現其在實際製造與生產中的有效應用提供重要支撐。
論文引用信息：
Yong LI (李勇), Wanni GAN (甘宛妮), Wenbin ZHOU (周文彬*), Dongsheng LI (李東昇). Review on residual stress and its effects on manufacturing of aluminium alloy structural panels with typical multi-processes[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2023, 36(5): 96-124.
https://doi.org/10.1016/j.cja.2022.07.020
研究團隊
第一作者：李勇教授，北京航空航天大學機械工程及自動化學院飛行器製造工程系主任
獲得國家級青年人才計劃、北航青年拔尖人才計劃支持，從事高性能輕質材料（高強鋁合金、複合材料等）跨尺度、全流程模擬以及大型複雜薄壁構件先進成形理論與技術研究。相關研究成果在Int J Plasticity, Int J Mach Tools Manuf, Composite Part A等金屬、複合材料成形領域頂級期刊發表1作/通訊作者論文30餘篇。
第一作者：甘宛妮，北京航空航天大學機械工程及自動化學院，碩士研究生，主要研究方向爲金屬塑性成形理論及工藝
通訊作者：周文彬，北京航空航天大學機械工程及自動化學院，副教授
從事輕量化薄壁結構高性能成形制造技術與可成形性輕量化設計研究。主持並參與了國家自然科學基金，重點研究項目專題，航空工業相關單位支持項目等。相關研究成果在Int J Mach Tools Manuf，Int J Mech Sci，Aerosp Sci Technol等塑形成形與航空航天領域SCI Q1區國際權威學術期刊發表論文10餘篇。
團隊負責人：李東昇教授，北京航空航天大學機械工程及自動化學院副院長
從事輕質材料精密/超精密成形技術與裝備研究。塑性工程學會常務理事、中國商飛“民用飛機制造技術國家工程中心”及中航工業航空專用裝備專家委員會委員、《塑性工程學報》編委。獲國家科技進步二等獎1項、國防科技進步特等獎1項/一等獎2項。出版教材2部，主編工信部十四五規劃教材1部。
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