通过多点成形过程中的顺序加载以及增强的正向压缩应力，实现高强度钢弯曲部件中的皱纹抑制

《Journal of Materials Processing Technology》：Wrinkle suppression in high-strength steel curved components through sequential loading in multi-point forming with enhanced normal compressive stress

皱褶抑制与I-shaped顺序加载成型策略优化了高强度钢双向曲率部件的成型质量，通过理论模型与实验验证证实了冲头排列、加载策略及多工步成型方案的协同作用，解决了传统工艺中应力集中和材料堆积问题。

　　

Rundong Ding|Xianhe Cheng|Long Cao|Shouzhi Hao|Xingjian Wang|Wenliang Wang|Jing Yan|Hexuan Shi|Junwei Sun|Yuan Li|Qigang Han

吉林大学材料科学与工程学院（教育部汽车材料重点实验室），中国吉林省长春市130022

摘要

在高强度钢（HSS）组件的多点成形过程中，尤其是那些具有双向曲率和高长径比的组件，起皱不稳定性仍然是一个关键的瓶颈问题。为了解决这个问题，本文提出了一种基于多点模具的问题导向型I形顺序加载成形（ISLF）策略。通过沿I形路径从中心向边缘依次激活冲头，这种分阶段加载方式能够主动调节应力场，降低中心切向应力，并防止材料堆积。在初始阶段，建立了一个起皱不稳定性判据（$?\rho$），以定量确定初始冲头配置，从而诱导局部加工硬化和正常压缩应力，抑制起皱的发生。通过实验和有限元模拟验证了这种判据导向策略的有效性。此外，系统研究了冲头排列、加载策略和分阶段扩展方案对EH32 HSS组件成形质量的影响。机械分析表明，与传统的矩阵布局相比，蜂窝状冲头布局使模具与板材的接触面积增加了约15.5%，减少了应力集中并提高了变形均匀性。与对称加载相比，非对称加载进一步促进了相邻冲头之间的位移耦合，显著降低了峰值应力并提高了成形一致性。对四种扩展方案的实验和数值比较表明，方案III——先激活两排横向冲头和三排纵向冲头，然后再完全接通所有冲头——在抑制起皱和实现均匀应变分布方面最为有效。本研究建立了起皱应力状态与分阶段加载路径之间的机制联系，从而实现了双向HSS组件的稳定多点成形。

引言

由于其高比强度、优异的焊接性能和出色的抗疲劳性，高强度钢（HSS）在造船工业中得到了广泛应用[1]、[2]。典型应用包括航空母舰甲板[3]以及海军舰船和潜艇的外壳结构[4]、[5]。然而，这些组件通常具有大尺寸的几何形状和高宽比，以及复杂的反向曲率（称为复杂的高长径比表面），这使得HSS板材在成形过程中容易产生表面缺陷，如起皱。在当前的工业实践中，通常使用火焰成形[6]、[7]、激光辅助弯曲[8]、[9]和刚性模具热冲压等热辅助技术来提高材料的成形性能并制造复杂的曲面。尽管这些方法为制造复杂的HSS组件提供了可行的解决方案，但它们仍然存在能耗高、模具适应性差和工艺窗口窄的问题。因此，开发一种结合低能耗、高适应性和优异灵活性的成形技术对于实现高质量制造复杂曲率HSS组件至关重要。

能够满足上述要求的典型板材柔性成形技术主要包括柔性滚压成形（FRF）[10]、柔性增量成形（FIF）[11]和柔性多点成形（FMPF）[12]。FRF结合动态滚轮调整，可以实现大型船板曲面的连续成形[13]、[14]。采用可重构冲头和可调滚轮组的混合成形方法可以生产复杂的双曲率组件[15]。然而，由于载荷分布不均匀和系统刚性相对较低，这些技术在实现整个表面的同步高载荷应用方面存在局限性。相比之下，FIF通过集中载荷的方法克服了这些限制[16]、[17]。该方法通过工具头施加局部和连续的增量变形，有效提高了成形区域的能量密度和载荷集中度[18]、[19]，从而显著增强了复杂HSS组件的可控性[20]。然而，变形的逐点累积导致加工周期较长，这对高效生产提出了挑战。FMPF使用独立可调[21]且有序排列的刚性基座单元[22]、[23]，在快速成形方面具有优势[24]、[25]。因此，这项技术结合了FRF所缺乏的高刚性和载荷能力以及FIF所缺乏的高效率，成为制造复杂HSS组件的理想方法。

近年来，人们对FMPF技术制造的板材组件的成形质量特性进行了大量研究。在这些研究中，FMPF设备结构的优化被认为是决定组件质量的关键因素之一[26]、[27]。弹性垫作为关键的辅助介质[28]、[29]，提供了实质性的支撑和约束，有效抑制了起皱并提高了厚度均匀性[30]、[31]。此外，多点模具冲头的排列和加载策略显著影响了成形结果[32]、[33]。尽管交错排列的冲头[34]、[35]和非对称加载[36]、[37]在优化应力路径和变形协调方面显示出潜力，但这些发现主要基于现象观察或数值模拟。目前尚缺乏阐明蜂窝状布局与矩阵布局机械优势的分析框架，非对称加载与对称加载之间的理论区别也尚未探索。此外，一个设计良好的FMPF工艺对于确保组件的表面质量至关重要[38]。即使成形设备性能不断提高，在直接成形过程中仍然难以避免局部缺陷，如起皱。对于具有复杂曲率的HSS组件，有限的延展性和复杂的形状限制了传统温度或压力控制在抑制起皱方面的有效性。因此，通过FMPF模具表面设计优化分阶段顺序加载，以调节协调的应力-应变演变，被认为是提高具有复杂曲率HSS组件成形质量的关键方法。

研究人员研究了基于分阶段顺序加载的成形策略，并结合模具表面调节来提高板材组件的成形稳定性。Qian等人[39]、[40]采用多步成形方法将具有大曲率的表面分解为几个小曲率的段进行顺序加载，这提高了应变分布的均匀性，但由于频繁调整冲头高度而显著降低了成形效率。Jia等人[41]、[42]采用了FMPF方法，并通过协调控制上模位移和下模载荷实现了全场法向约束，从而逐步制造出复杂的曲面组件；然而，设备结构复杂且制造成本较高。Luo等人[43]提出了一种循环增量多点成形方法，利用分阶段加载和有序的冲头运动来减少瞬时载荷，同时保持连续约束，从而生产出高质量的双曲率组件，但成形周期相对较长。总体而言，现有的关于基于分阶段顺序加载的成形研究主要集中在工艺规划和实验优化上，而对初始模具表面和初始加载阶段的理论分析和确定性设计研究还不够充分。

本研究提出了一种用于具有复杂曲率HSS组件的多点模具I形顺序加载成形（ISLF）方法，并通过结合实验和数值研究进行了全面分析。首先，通过机械分析明确了冲头排列和加载策略，并基于复杂曲率组件的起皱机制开发了一种ISLF起皱抑制控制方法。随后，建立了一个分析不稳定性判据模型，以定量确定初始冲头的数量，为初始加载表面的设计提供了理论基础。然后为剩余的冲头设计了四种不同的增量加载方案，并通过实验测试、数值模拟和不稳定性判据分析系统评估了每种方案的成形质量。结果表明，所提出的ISLF方法可以有效抑制具有复杂曲率HSS板材在成形过程中的起皱缺陷，为高效且可控地制造具有复杂曲率的HSS组件提供了一种技术上可行的方法。

部分摘录

多点模具配置和加载策略的选择

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高强度钢的机械性能

所使用的板材材料是直接从制造商处获得的EH32高强度船用钢。准备了厚度为5毫米的轧制板材作为拉伸试样。根据图7a中的尺寸，对在轧制方向0°、45°和90°切割的试样进行了单轴拉伸试验。

使用万能试验机进行了准静态试验。实验测量的工程应力-应变数据

单步成形中的起皱不稳定性分析

如图11a,b所示，在双曲率板材的SSF过程中，实验部分（EP）和模拟部分（SP）的中心区域都出现了明显的起皱现象。定量比较显示，EP的纵向起皱脊长度约为184毫米，SP的纵向起皱脊长度约为179毫米，两者之间的数值一致性非常高，误差仅为2.7%。对于3D偏差分析，两个部分在中心点与TSP对齐（图11c,d）。

结论

通过理论建模、实验研究和数值模拟的结合，得出了关于高强度钢（HSS）反向双曲率部件起皱抑制的以下结论：

1)

蜂窝状配置（HC）和非对称加载（AL）的理论表征：本工作的创新在于对HC和AL的协同效应进行了严格的机械表征

CRediT作者贡献声明

Wenliang Wang：研究、数据管理。Xingjian Wang：可视化、形式分析。Shouzhi Hao：可视化、研究。Long Cao：撰写 – 审稿与编辑、资源管理。Yuan Li：项目管理、数据管理。Junwei Sun：软件、数据管理。Hexuan Shi：软件、研究。Jing Yan：验证、研究。Xianhe Cheng：撰写 – 审稿与编辑、方法论。Rundong Ding：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（U2570240）的财政支持。