国基中标申报书十八张图表参考意义非凡.docx
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国基中标申报书十八张图表参考意义非凡
申请代码
E050802
受理部门
收件日期
受理编号
国家自然科学基金
申请书
（2011版）
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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：
宋爱平电话：
0514-87978311
依托单位：
扬州大学
通讯地址：
江苏省扬州市华扬西路196号扬州大学机械学院
邮政编码：
225127单位电话：
0514-87971865
电子邮箱：
apsong@
申报日期：
2011年3月3日
国家自然科学基金委员会
基本信息yoqW22ZY
申请人信息
姓名
性别
男
出生
年月
1965年11月
民族
汉族
学位
博士
职称
副教授
每年工作时间（月）
10
电话
0514-87978311
电子邮箱
apsong@
传真
0514-87859737
国别或地区
中国
个人通讯地址
江苏省扬州市华扬西路196号扬州大学机械学院
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
名称
联系人
张俊桂
电子邮箱
jgzhang@
电话
0514-87971865
网站地址
合作研究单位信息
单位名称
项目基本信息
项目名称
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12月
研究属性
应用基础研究
申请经费
61.0000万元
摘要
（限400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。
关键词（用分号分开，最多5个）
板料；成形；冲击；高应变率；样条曲线
项目组主要参与者（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
0514-87978311
cims@
方案论证与规划
8
2
1957-3-12
男
教授
博士
扬州大学
0514-87978418
lizengcf@
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
0514-87978311
chytang@
试验装置的设计与制造
10
4
1976-3-9
男
讲师
硕士
扬州大学
0514-87978418
chenfei@
力学分析与仿真
10
5
1971-9-23
男
工程师
硕士
扬州大学
0514-87978418
jzhli@
板料冲击变形试验
10
6
1987-8-21
男
硕士生
学士
扬州大学
0514-87978377
489646730@
冲击成形路径规划
10
7
1988-8-23
男
硕士生
学士
扬州大学
0514-87978377
ydhuangjian@
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。
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.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
（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.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.劳务费
3.0000
研究生劳务补助
四.管理费
3.0000
科研项目管理费
合计
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
22.0000
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评判依据，请遵照要求填写。
报告正文
面上项目申请书撰写提纲
（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）：
1.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
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。
（1）压杆式数控渐进成形技术
（a）板料成形前（b）板料成形中
图1压杆式数控渐进成形示意图
20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
1.激光脉冲2.压板装置3.约束层
4.能量吸收层5.工件
图2板料激光冲击成形示意图
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水平的无模多点成形设备[2]。
图3多点模具成形过程
图4多点压机成形过程
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）多点压板成形方式
借鉴多点压机成形技术的优点，又要降低技术上的实施难度，扬州大学宋爱平提出了“多点压板成形技术”。
多点压板成形方式就是在板料成形过程中对板面施加弹性压板力，提高板料的失稳临界应力，从而减少板料的受压屈曲与起皱，提高板料变形能力[9]。
多点压板成形过程如图5所示。
每个柔性杆伸出长度可以预先调整，柔性杆内部有压簧，每个柔性杆设置有确定的退缩量。
板料在成形过程中，板料的上、下面一直受柔性杆冲压头的约束，冲压头对板面施加板面弹性压板力。
在若干离散的单元柔性杆作用下，板料经过“放料”“压边”“压板”“压板与成形”“定型”五个过程[9]。
A.放料B.压边C.压板D.压板与成形E.定型
1、柔性杆2、板料3、压边杆4、变形冲压头
图5多点压板成形工艺
多点压板成形模具由若干个柔性杆构成，在板料冲压成形加工时，“压板”与“成形”同时进行，实现“多点压板”与“多点成形”冲压工艺，这种过程可以有效地减少板料在成形过程中的受压屈曲与起皱，提升板料的冲压成形能力。
柔性杆的冲压头可以是标准的球面，也可以是定制形体，不同形状的冲压头使用快速原型系统快速定制[10]。
不管是无模多点成形技术，还是多点压板成形技术，都是一种可重构模具，模具的重构与调整需要一定的时间与成本；另外，板料是由有限个压点冲压成形的，由于压点的有限性与模具体的尺寸限制，成形的板件尺寸与精度也有一定的局限性。
为了探索一种更高柔性、更高效率的板料成形技术，更好地提升板料的成形能力，仍需要研究新型的板料成形方式，板料渐进冲击成形方式就是为了实现这个目的而提出。
1.2板料渐进冲击成形技术的构思
以上分析了几种国内外板料柔性成形及可重构模具技术的特点，特别是板料柔性成形技术由于其在理念上的创新性和其诱人的应用前景，已成为当前的研究热点[11-13]。
上述的各种板料成形方法各有其特点，为了更好的满足板料的快速与柔性成形，本课题首次提出一种新型的板料柔性成形技术——板料渐进冲击成形，以探索一种高效率、低成本、高柔性的板料塑性成形技术。
即使用刚性冲击头对板料实施快速、有序的冲击，将冲击动能转化为板料的变形能，实现板料的可控变形。
渐进成形的思路是将复杂的三维形状分解成一系列二维层，并在二维层上进行塑性加工，实现设计与制造一体化的柔性快速制造[3]。
板料渐进冲击成形的基本原理如图6所示，将被加工板料四周用压板夹紧，板料下面放置可压缩弹性物体，板料安装平台实现平移运动（数控X、Y轴运动）。
加工时，将冲击器固定在多轴联动数控设备的Z向移动平台上，根据工件几何形状信息，通过数控程序控制冲击杆以走等高线的方式（或等变形梯度方式）运动，冲击杆高速冲击板料，使板料逐步变形为所需形状。
1.冲击杆2.板料3.压边装置4.可压缩弹性体
图6板料渐进冲击成形方式示意图
初步设想是利用高频冲击气缸驱动冲击杆产生高频、高速运动，冲击板料，使冲击动能转化为板料变形能，其产生的瞬间冲击应力远大于材料的动态屈服强度，从而使板料产生塑性变形。
通过调节气缸的压力与气体流量就可以改变冲击杆的冲击速度和冲击动能，控制板料的变形量，适应不同厚度与不同力学性能的板料。
高速冲击杆迫使板料产生局部快速变形，冲击接触区域变形明显，而在接触区域周围变形量很小，冲击速度越快板料变形的局部性越明显，这样就可以有效的保证板料的成形精度；另外，板料的冲击变形是一种局部高应变率的双向拉伸板料变形，高应变率拉伸变形不仅可以提升板料的成形能力，同时可以确保板料不发生起皱现象，这样既有利于成形复杂形状的板件，也有益于加工一些难以成形的材料。
板料冲击成形方法是一种渐进成形方式，板料每次冲击变形量大约在0.1～5mm之间，大变形曲面板件需要实施多遍的冲击成形，板料渐进成形可以提升板料的成形能力。
初步的研究与试验表明：
板料数控渐进冲击成形具有成形速度快，灵活性好，适应性强，并且不需要定制专用的器具，就可以直接成形复杂的曲面板件。
1.3板料渐进冲击成形方式的思路与特点
板料渐进冲击成形的思想主要来源于“针式打印机”的原理，其也是对“多点成形技术”与“压杆式数控渐进成形技术”的拓展。
渐进冲击成形的思想来源于针式打印机的原理。
回顾上千年印刷技术发展史，主要有四个阶段：
一是手工抄写法，二是雕版印刷法，三是活字印刷法，四是目前的针式打印（点阵式打印）技术。
如果将板料曲面成形技术的发展过程与其类比，其主要有三个阶段：
一是板料手工锤击成形，二是整体模具冲压成形，三是可重构模具技术，这三个发展过程与印刷技术发展过程的前三个阶段从形式上有明显的相似之处。
针式打印的思想是通过若干点构建二维图形与符号；而数控渐近冲击成形的思想是通过高频冲击成形，每秒可以冲击上百次，若干个密集的冲击变形点构成板料三维成形面。
现在将针式打印技术的思想移植到板料曲面成形技术方面，将是对板料塑性成形技术的重大推进。
渐进冲击成形也是对多点成形技术的拓展。
多点成形中压杆对板料的压点数是有限的，压点位置也是受限制的，压点之间有一定尺寸的间距，非压点处的板料成形位置不够精确，特别对于薄板成形误差更明显；另外，该模具必须先根据板件形状重新构造后，再实施板料冲压成形，板料冲压成形的灵活性不强。
在数控渐进冲击成形中，冲击杆的冲击位置由计算机控制，冲击点变形区域是重叠的，对板料的冲击成形点可以认为是无限的，对于不同形状的板件冲击成形，只要改变数控程序，就可以实现不同曲面板件的冲击成形加工。
渐进冲击成形是使用较小的冲击动能实现板料的局部塑性变形，这样就不需要配置大型的、高耗能的压力设备，同时成形板件的尺寸与形状可以快速变换，使其具有更好的加工柔性与快捷性。
渐进冲击成形也是对压杆式数控渐进成形技术的拓展。
压杆式数控渐进成形是通过压杆的压力迫使板料变形，这样成形力较大，也难以实现较厚板料的成形；另外其压杆与板料始终接触，压杆进给时会有进给阻力，该进给阻力可能会引起板料的扭曲，影响成形精度与成形效率。
渐进冲击成形就是将压杆式数控渐进成形的刚性压杆换为冲击杆，冲击杆对板料实施高频、高速的冲击成形，冲击动能可以调节，这样既可以实现对薄板与中等厚度板料的成形，也不会产生进给阻力；另外高应变率的板料局部变形不会产生板料起皱，板料的成形能力也得到相应提升。
数控渐进冲击成形方式是一种曲面板件的无模成形技术，板料冲击成形时不需要定制模板或支撑机构，使用三维造型系统得到板件的三维模型，分析三维模型数据就可以自动生成数控程序，控制冲击杆与板料安装平台的运动，实现真正的板料的无模成形。
数控渐进冲击成形技术具有明显的创新性，其具有成形速度快，柔性好，板料成形质量高等特点。
当然要实施板料渐进冲击成形技术首先要研究板料冲击变形的力学机理，分析冲击速度、冲击能与板料的变形形态及变形量的关系；同时要结合冲击变形的特点，优化板料的渐进成形路径。
1.4板料渐进冲击成形对提升板料的成形能力的作用
由于板料数控渐进冲击成形具有其独特性，其是通过冲击动能引起板料的局部高应变率变形，因此，高应变率下的板料变形特征需要进一步研究，同时板料冲击变形形态与冲头形状、冲击速度、冲击动能有密切的关系，其也需要深入探索；另外，板料的渐进冲击成形过程、成形路径与板料的成形能力与成形精度也有密切的关系。
（1）板料的高应变率变形
目前人们对板料冲击变形的研究不多，相关的研究主要集中于板料的冲击破裂与金属材料高应变率压缩变形方面。
文献[14][15]分析了冲击荷载作用下金属方板的变形与起裂，提出荷载作用面积和边界条件对方板的起裂冲量有影响；单向支承方板与固支方板相比，由于产生了面内位移,抗裂能力提高，抗起裂冲量明显提高。
文献[16][17]分析了高速冲击下材料的增塑效应、变形形态及性能，提出金属在高速冲击下的塑性变形形态分为二种，即热塑性失稳和均匀塑性变形，并认为在高速冲击下材料中的均匀塑性变形在一定的条件下对提高其动态性能是有利的。
文献[18-20]对铁、铝金属块进行高速压缩变形实验，提出：
随着应变率的增大，应变硬化率降低，而且应变值较大时会出现应变软化现象，接近于理想弹塑性模型；与准静态条件下的应力应变曲线比较，高应变率条件下的动态应力应变曲线的初始段斜率增大，并提前进入塑性变形阶段，随着应变率的增加，屈服应力及整条曲线趋于上升。
文献[21][22]提出在高速拉伸状态下，可以提升钢板的延展性，有效地减少板料的开裂。
文献[23]提出，TA2钛板具有明显的各向异性和双向强化效应，其双向比例极限和屈服强度比其单向比例极限和屈服强度高40％。
文献[24][25]提出高应变率压缩可以提升金属板料的延展能力。
文献[7][26]分析了板料在激光冲击下的受力变形，推导出板料激光冲击变形量与冲击能、冲击方向的关系。
文献[27]指出了惯性是影响高速率成形性的主要因素，它有助于分散变形，抑制变形集中化，抑制缩颈集中化；应变速率的增加可能引起材料本构关系的改变，从而增加材料成形性。
虽然目前对金属板料在双向拉伸高应变率下的应力应变本构模型没有明确的研究结果，但是根据以上文献可以初步的推论：
对于绝大多数金属材质板料，高应变率的变形可以提升板料的成形能力，同时板料局部高应变率变形不会产生起皱现象，特别对于一些难以成形的材料也可以实施高速冲击成形。
（2）板料渐进成形与渐变曲面几何描述方法
板料的渐进变形也可以提升板料的成形能力[5]。
为了描述板料变形过程中的曲面形状，也为了规划板料渐进成形路径，结合冲击变形的特点，需要研究一种新型的曲面几何描述方式，要能将曲面描述特征点与板料渐进成形路径的控制点融合，这样便于分析曲面数据，有利于优化板料渐进成形路径，简化数控程序的编制过程。
文献[28]应用离散傅里叶变换描述能够体现板材多点成形
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