复杂的薄壁管状部件[[1], [2], [3]]已被广泛应用于航空航天、航空和汽车领域，以实现轻量化结构[[4], [5], [6], [7]]。在使用过程中，这些部件会受到复杂的机械、热和振动载荷[[8]]，因此需要设计出具有空间弯曲轴[[9], [10], [11]]、可变截面和直径[[12], [13], [14]]以及复杂非圆形截面[[15], [16], [17], [18]]的特性。此外，组装、功能和美学要求通常也需要极小的局部角半径[[19,20]]的设计。
现有的流体压力成形技术主要包括液压成形[[21], [22], [23], [24], [25], [26]]和热气成形[[27], [28], [29], [30], [31]]。为了实现极小角半径的部件成形，通常会增加内部压力。然而，较高的压力会加剧变形，导致严重的壁厚减薄。这种效应在变形集中的角部区域尤为明显，从而引起应力集中、局部减薄甚至开裂[[32], [33], [34], [35], [36]]。此外，较高的内部压力对成形设备在吨位容量和密封性能方面提出了更严格的要求[[37,38]]，从而增加了制造成本。而且，即使使用显著提高的压力，当前的高压技术也只能实现材料厚度的2-3倍的角半径[[39,40]]。对于需要更小局部角半径的管状部件（例如，局部半径与厚度比小于1的部件），现有的流体压力成形技术也无法成功成形[[41]]。
因此，在薄壁管状部件的液压成形过程中，实现高精度的模具填充以形成小半径角[[42], [43], [44]]长期以来一直是研究的重点。已经探索了多种方法来提高成形极限并产生极小的角半径，包括工艺创新[[45]]、温度调节[[46,47]]和摩擦优化[[48], [49], [50]]。袁等人[[51,52]]提出了一种使用具有凹形侧壁的方形预成型件的液压成形方法，该方法可以减少拉应力并减少模具接触。在内部压力作用下，侧壁的压缩将材料推向角部，通过将应力状态转变为拉-压应力来提高成形极限。阮等人[[53]]研究了B1800HS硼钢管的热气成形中的材料流动，发现将气体加压速率从1 MPa/s增加到3 MPa/s可以将最小角半径从24 mm减少到16 mm，从而促进角部的填充。Abdelkefi[[54]]通过比较不同截面几何形状的管材的液压成形效果，研究了摩擦对材料流动的影响。他们的结果表明，改善润滑（例如，喷涂特氟龙）可以促进角部填充，减少壁厚不均匀性，并最小化局部减薄，从而提高整体厚度分布和部件质量。
与传统的液压成形相比，低压成形技术[[55], [56], [57]]将管状部件的变形模式从周向拉伸[[58], [59], [60], [61]]转变为周向或轴向压缩[[62], [63], [64], [65]]。在这些过程中，模具运动提供主要的成形力，而内部流体介质作为辅助支撑。代表性的方法包括液体填充的液压压制[[66], [67], [68]]、液体填充的液压锻造[[69], [70], [71]]和液体冲击成形[[72]]。张[[73]]提出并验证了一种开放式液压压制工艺，其中液体介质首先提供内部支撑压力，然后模具的压缩载荷驱动管壁的塑性流动。这种方法能够有效填充模具型腔并精确成形角部。林等人[[74]]开发并验证了径向液压锻造弯曲工艺，其中内部液体压力支撑管材，而径向模具闭合则压缩截面，从而引起弯曲和周向压缩。Mohseni等人[[75]]引入了液体冲击成形，这是一种结合冲压和液压成形的混合工艺。冲压设备施加瞬态冲击载荷到封闭的矩形模具上，而预先填充的液体提供辅助支撑。
以往关于低压成形的研究主要集中在压缩引起的材料不稳定性上。Nikhare等人[[76]]通过将管壁建模为铰接柱来分析低压管液压成形中的屈曲现象；他们提出了一个分析模型来预测最小支撑压力，确定了屈服强度、管壁厚度和模具接触长度作为关键因素。随后，Nikhare[[77]]开发了一个简化的刚塑性模型，将模具闭合力与这些参数联系起来。该模型通过实验和模拟得到了验证，误差在±10%以内。这些结果突显了其在高效工艺设计方面的潜力。Liu[[78]]系统分析了薄壁T形接头液压成形中的侧壁皱纹问题，确定了关键工艺参数和机制，并基于塑性变形原理[[79], [80], [81]]建立了极限支撑压力模型。Chu[[82]]开发了一个用于限制圆形到矩形管壁压缩的支撑压力模型，并通过有限元（FE）模拟和实验进行了验证。此外，利用流体支撑下的轴向压缩变形[[83], [84], [85], [86]]来制造大直径减缩管和具有复杂轴向特征的部件。
现有的低压流体成形技术可以根据内部介质的不同分为液体填充和气体填充工艺[[87], [88], [89]]。由于液体的不可压缩性，在压缩过程中体积减小时会产生压力波动，这使得压力控制变得困难，并限制了形成复杂部件所需的复杂压力剖面的实现。相比之下，由于气体的高可压缩性，在压缩成形过程中压力几乎保持恒定，这阻碍了对其成形要求的适应。此外，气体介质的支撑不足可能导致不稳定性失效，如皱纹和屈曲[[90], [91]]。
总之，无论是液体填充还是气体辅助的低压成形方法，在压力控制和成形效率方面都存在局限性[[92]]。此外，现有的关于低压管成形的研究主要集中在材料屈曲和不稳定性的研究上，理论模型也是为了分析这些现象而开发的。在低压压缩成形过程中的材料流动、变形机制和角部填充行为受到的关注较少，因此理解还不够深入。为了填补这一知识空白，本研究探讨了一种气液低压成形（GLLF）工艺，其中具有可变压缩性的气液混合物提供可调的内部支撑压力。所提出的工艺用于研究薄壁管在低压成形过程中的材料流动、变形机制和角部填充行为。
本文的其余部分组织如下。第2节描述了方法论，包括GLLF中小半径角形成的原理，随后是FE模拟和实验方法。第3节展示了主要结果，重点讨论了压力优化以抑制不稳定性、变形机制、截面形状演变和角部成形极限。第4节讨论了GLLF在制造具有极小角半径的管状部件中的应用。最后，第5节总结了本研究的主要结论和贡献。
