《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：An integrated simulation method for process window determination and deformation analysis in gas–liquid low-pressure forming of complex thin-walled tubes
编辑推荐：
•开发了一种基于ABAQUS和Python的有限元方法，用于确定GLLF的工艺窗口。•确定了GLLF的工艺参数，并通过实验进行了验证。•弯曲与压缩的结合使得复杂的薄壁管能够形成较小的圆角半径。•揭示了复杂薄壁管状部件的壁厚分布变化规律。引言随着全球气候变化的加剧以及交通运输领域碳
- •
开发了一种基于ABAQUS和Python的有限元方法，用于确定GLLF的工艺窗口。
- •
确定了GLLF的工艺参数，并通过实验进行了验证。
- •
弯曲与压缩的结合使得复杂的薄壁管能够形成较小的圆角半径。
- •
揭示了复杂薄壁管状部件的壁厚分布变化规律。
引言
随着全球气候变化的加剧以及交通运输领域碳排放量的持续上升[1]，包括航空、航天、航海和汽车系统在内的高端运输设备迫切需要轻量化且高度集成化的结构解决方案[2]。增加集成式薄壁结构的比例[3]被视为在提升承载能力和结构效率的同时降低能耗的有效策略[4]。
集成式薄壁结构的成型方法主要包括深拉伸[5]、增材制造[6]、旋压[7]、压铸[8]以及液压成形技术[9]。其中，液压成形已成为制造复杂薄壁管状部件最重要的技术之一。与传统冲压和焊接工艺相比，液压成形能够缩短加工流程，降低能耗，同时显著提升结构的完整性和机械性能[10]。
现有的用于复杂薄壁金属管的液压成形技术大致可分为两类：高压液压成形膨胀[11]、[12]和低压成形[13]、[14]。高压液压成形主要依靠较高的内部流体压力将管子挤压到模具型腔中，而低压成形则利用模具运动与内部压力之间的协同作用来实现变形[15]。
在高压液压成形过程中，成型力主要由高压内部流体提供。虽然该工艺有助于提高模具填充效果，但复杂的薄壁部件在拉伸变形过程中容易出现局部变薄甚至开裂，尤其是在过渡圆角区域，这会削弱最终部件的结构强度[16]。因此，面临的挑战包括优化预成型过程中的材料分布[17]以及控制内部压力加载路径[18]。为解决这些问题，人们提出了智能加载路径控制策略。Manabe等人[19]实时监测并调整压力-位移曲线，以提高成型效率和稳定性。Li等人[20]提出了一种模糊控制策略，用于优化加载路径，抑制起皱和开裂现象。关于起皱行为及其控制的研究进一步为管材液压成形中的稳定性控制与成型性提升提供了指导[21]、[22]。
随着管状部件变得越来越复杂，出现直径变化、截面不均匀[23]、轴线空间弯曲[24]或圆角半径较小[25]等情况，往往需要经过弯曲、减径和压制等多道成型工序，从而增加了工艺的复杂性。因此，低压成形作为一种比高压液压成形更具成本和能源效益的替代方案应运而生[26]。在这种工艺中，模具运动提供主要的成型力，而内部介质则起到辅助支撑作用，将以拉伸为主的变形转变为以压缩为主的变形[27]。与液压成形相比，低压成形能够降低成型压力、设备吨位和能耗[28]，同时还能在相对较低的压力下于室温条件下形成更小的局部圆角[29]。这些优势表明其具有实现高效可持续制造的潜力。目前，主要的低压成形方法包括充液压制[30]、充液镦粗[31]以及液体冲击成形[32]。
压缩变形带来了额外的挑战。在压缩应力状态下，材料容易发生不稳定现象和起皱[33]、[34]，这与深拉伸过程中的周向压缩不稳定现象类似[35]。要抑制这类缺陷，就需要足够的法向支撑压力[36]。在低压管材成形过程中，侧壁压缩也会出现类似现象。Chu等人[37]提出了一个基于塑性的薄壁管压缩不稳定压力模型。人们研究了包括线性升压、恒定压力和脉冲式加压在内的多种压力加载策略，以提升壁厚均匀性和成型性[38]、[39]。Zhang等人[40]开发了一种结合内部压力与轴向压缩的多方向液压校准方法，用于提高增材制造管材的几何精度。Sun等人[29]分析了变直径管材的轴向液压锻造过程中的壁厚变化，并阐明了其中的缺陷机制。
尽管取得了这些进展，但关于基于内部压力支撑的轴向压缩的研究尚未系统地探讨涉及轴向几何特征的成型过程。此外，在传统的低压成形过程中，液体介质的可压缩性会导致体积引起的压力波动。传统加载策略的灵活性有限，且难以维持理想的压力状态，这些都降低了成型效率，限制了其在大规模工业中的应用[41]。
为克服这些局限性，人们提出了气液低压成形（GLLF）技术[42]。通过结合气体的高可压缩性与液体的近乎不可压缩性，可以创造出可调节可压缩性的混合介质，从而提供可控的内部支撑。通过控制气液比例和初始压力，可以获得理想的压力演变曲线，进而有效抑制不稳定现象和起皱，同时在相对较低的支撑压力下实现更小的局部圆角特征的形成[43]。
虽然GLLF能够在较低压力下提升成型性，但仍存在一些不足之处。由于型腔体积变化以及气液混合物压缩所导致的体积-压力耦合现象，在有限元模拟中尚未得到充分体现。此外，对于具有局部几何特征的复杂薄壁管而言，周向压缩不稳定现象、轴向圆角填充以及材料流动的机制仍不明确。因此，目前仍缺乏可靠的成型窗口确定方法，大多依赖经验试凑。
本研究开发了一种基于有限元的体积-压力耦合方法，用于GLLF工艺，旨在弥补上述不足，明确体积变化、气液混合物压缩、压力响应以及材料流动之间的耦合关系。通过Python脚本将气液混合物压缩模型集成到ABAQUS中，并通过重新分析功能实现根据实时型腔体积变化来更新压力值。随后提出了一个迭代策略，用于确定工艺参数、抑制不稳定现象并改善轴向圆角填充效果。进一步通过分析应力演变、形状发展以及影响周向和轴向壁厚分布的因素，研究了材料的变形行为。最后，通过针对复杂AA6061薄壁管进行的实验，对所提出的方法及分析结果进行了验证。
章节节选
管材GLLF过程中的体积-压力耦合
在管材GLLF过程中，管腔体积与内部压力的变化之间存在即时且强烈的耦合关系。如图1所示，管材的塑性变形会使型腔体积从初始值0变为变形后的值V。型腔体积的变化会压迫气液混合物，从而改变其压缩状态，进而推动内部压力从P0实时变化为P。反之，更新后的压力又会直接影响
工艺参数的调整策略
在管材GLLF过程中，内部压力的变化主要受初始气相体积分数k、初始压力P0以及管材的瞬时体积压缩比ξ的影响。在条件相同的情况下，更高的P0或更低的k会导致更大的内部支撑压力。对于给定的管状部件，其最大体积压缩比ξm主要取决于其几何特性和变形模式，因此可以将其视为
复杂管材成型的工艺窗口确定
以电动辅助自行车框架中的复杂管状部件为研究对象，利用所提出的体积-压力耦合有限元方法确定了GLLF工艺的可行窗口。由于复杂的薄壁管同时存在具有不同成型机制的周向和轴向圆角特征，因此分别研究了抑制周向不稳定现象和填充轴向圆角的工艺窗口。
应用
如图17所示，为在电动辅助自行车框架的复杂薄壁管状部件上应用所提出的体积-压力耦合工艺设计方法，专门开发了一套定制的GLLF系统。该系统集成了液体供应、气体供应、成型以及控制模块，能够实现对液体体积、初始气体压力以及模具闭合位移的协同调控。
所提出方法的应用价值在于能够基于机理来确定相关参数。通过
结论
在管材GLLF过程中，型腔体积的变化以及气液混合物的压缩会引发非线性的压力响应，这些响应会影响不稳定现象的抑制以及材料的变形行为。然而，目前用于分析这种体积-压力耦合的有效方法仍然不足，而且管材GLLF过程中的轴向和周向变形机制也尚不明确，这些都限制了工艺参数的设计以及成型质量的控制。为了解决这些问题，本文提出了一种基于有限元的工艺设计及确定方法
CRediT作者贡献说明
何祖斌：撰写——审阅与编辑，指导，资金获取，概念构思。袁航：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论，研究实施。王俊卓：撰写——审阅与编辑，研究实施，定量分析。林彦丽：撰写——初稿。胡志杰：验证，数据整理。赵浩辰：软件相关工作。田高宁：可视化，定量分析。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了教育部长江学者计划的资助（编号：T2024047）。
袁航|王俊卓|林彦丽|胡志杰|赵浩辰|田高宁|何祖斌
