编者按

复杂曲面薄壁构件是火箭、飞机、汽车和高速列车等运载装备的关键结构。这些构件不仅关键，而且量大面广，如在运载火箭中数量占比达80%以上，在飞机和汽车中达50%以上。随着新一代运载装备对轻量化、长寿命、高可靠要求的大幅提升，传统的多块拼焊结构无法满足这些要求，迫切需要整体化的复杂曲面薄壁构件。

中国工程院院刊《Engineering》在2021年第3期刊发《复杂曲面薄壁构件流体压力成形理论与技术研究进展》，系统介绍了管类构件低载荷液压成形、板类构件双向加压成形、椭球壳体无模液压成形和难变形材料双调热介质成形理论与工艺的最新研究进展，重点阐述了变形行为、应力调控、缺陷控制和典型应用。此外，文章还展望了流体压力成形技术的未来发展方向，包括超大尺度非均质构件超低载荷成形、金属间化合物和高熵合金构件精密成形、智能化流体压力成形工艺与装备，以及非均质强各向异性薄壳的精确有限元仿真。

超大型流体压力成形设备及整体箱底件

复杂曲面薄壁构件是火箭、飞机、汽车和高速列车等运载装备的关键结构。这些构件不仅关键，而且量大面广，如在运载火箭中数量占比达80%以上，在飞机和汽车中达50%以上。随着新一代运载装备对轻量化、长寿命、高可靠要求的大幅提升，传统的多块拼焊结构无法满足这些要求，迫切需要整体化的复杂曲面薄壁构件。

这类整体化构件的成形存在三方面的挑战：

一是形状十分复杂。包括大尺寸与小特征，以及具有明显不同的曲率、异形封闭截面、超大特征尺寸（管材长度或板材直径超过5 m）与超薄壁厚（厚径比小于 3‰）等复杂特征，这些特征使得坯料变形量远超传统工艺缺陷形成的极限值。

二是材料为难变形合金。高强铝合金、钛合金、金属间化合物和镍基高温合金室温成形性低，而高温下组织性能严重弱化。

三是要求同时具备高尺寸精度和良好的性能。构件全面域精度达亚毫米（0.1~1 mm）甚至几十微米 （1~100 μm），因超薄无法成形后再加工，因此必须通过直接成形来保证成形精度，且要求薄壁构件的性能（如抗拉强度）优于坯料10%。

这三方面的挑战互相耦合叠加，使得构件的制造难度极大。现有基于刚性模具的成形技术受加载空间的限制无法成形这类复杂整体结构，因此此类构件常被分解为形状简单的小尺寸构件，成形后再焊接成整体构件。这种多块拼焊的技术路线会产生力学性能较弱的长焊缝区域，导致构件形状畸变、表面恶化、可靠性低和寿命短等问题，无法满足新一代运载装备的发展需求。

流体压力成形是一种采用流体介质作为传力加载工具，使简单的坯料成形为复杂整体构件的金属成形技术。利用流体介质代替部分刚性模具，具有“以柔克刚、如影随形”的特点。同时，流体介质可进入封闭或 半封闭构件内部的整个区域，形成均布压力载荷。流体压力成形技术的这两种独特优势使其成为一项强大的技术，可用于将简单形状坯料直接成形为整体的复杂形状构件。

20世纪90年代中期，面向汽车对轻量化结构的需求，研究人员发展了管材液压成形技术；因使用压力高达400 MPa，所以该技术又被称为内高压成形技术。德国、美国等机构研究了内高压成形的变形行为、缺陷机制和关键工艺，特别是德国的一些公司成功研发出大型管材内高压成形装备， 并实现了轿车底盘、车身构件的批量生产。日本学者较早开始探索板材液压成形技术，并成功研发出汽车覆盖件等产品。

哈尔滨工业大学流体高压成形研究所苑世剑教授研究团队从1998年开始对流体压力成形基础理论和关键技术进行研究，突破制造整体化复杂曲面薄壁构件面临的挑战，推动了流体压力成形技术从简单到 复杂形状、从小尺度到大尺度构件、从常温液压成形到高温热介质成形的创新发展；面向管、板、壳三类典型结构和难变形材料构件，发展了新一代流体压力成形技术，具体包括管类构件低载荷液压成形、板类构件双向加压成形、椭球壳体无模液压成形和难变形材料双调热介质压力成形技术等。

面向下一代航空、航天、新能源汽车与高速列车运载装备对轻量化、高可靠和长寿命的更高需求，流体压力成形技术的未来发展方向如下：

（1）超大尺度非均质薄壁构件超低载荷整体成形。随着重型运载火箭、大型飞机和新一代高速列车的发展，迫切需要超大尺寸（特征尺寸大于10 m）薄壁构件。然而，由于板坯幅面的限制，采用的拼焊坯料的多条焊缝导致坯料力学性能具有非均质的特性。这类非均质体变形十分复杂，更容易在焊缝附近发生开裂。同时，超大尺寸构件的成形力巨大。例如，对于直径为5 m的半封闭结构的构件，成形力达到400 MN，能够提供如此大载荷和大台面的设备的造价十分昂贵。因此，未来需要发展面向超大尺寸非均质薄壁构件的超低载荷（降低 80%以上）流体压力成形技术与装备。

（2）金属间化合物和高熵合金构件精密成形。 TiAl、NiAl等金属间化合物和高熵合金是在高温服役环境下代替传统镍基高温合金的理想轻质耐高温材料。但是，该类材料在室温下几乎没有塑性，同时受限于原始坯料尺寸。由于这类材料化学成分与相变特性复杂，因此需确定变形条件（温度、形变量与应变速率）的影响，以发展适合金属间化合物和高熵合金的新型流体压力成形技术，同时实现特殊用途构件的制造。

（3）智能化流体压力成形工艺与装备。目前流体压力成形工艺与装备实现了数字化控制，成形过程的压力、位移和变形力等工艺参数均按设定的加载曲线实现数字化闭环精确控制。但是，由于坯料性能波动及模具磨损等工艺不确定性因素的影响，成形构件尺寸有时很不理想。基于薄壳变形行为与工艺参数的内在关系，构建综合的智能控制模型，便于设备线上调控工艺参数以实现成形过程中缺陷发生的智能控制。该智能成形模式可以大幅降低缺陷的发生概率。

（4）非均质/强各向异性薄壳变形理论与精确仿真。流体压力成形过程从坯料到最终构件需要经过一次或两次预成形工序。坯料可能发生局部壁厚变化（减薄或增厚）和局部硬化，导致力学、物理性能不均匀，形成非均质特征。从预成形到终成形的完整过程属于多工步循环加载、卸载过程，现有理论与模型无法准确描述这类变形行为，因此，需要发展全新的屈服方程、流动方程、本构关系模型及复杂加载条件下的实验测试方法，以实现工艺仿真的准确预测与产品制造。

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