随着数字化及信息化的飞速发展,工业4.0、智能制造、云计算等先进制造理念纷纷在汽车、航空、航天、船舶及建筑等领域付诸于实践。人们对新研发产品的外观、舒适性、智能化等提出了更高的要求,并助推了各行业产品研发及更新换代的速度。多点成形是一种先进的板材制造方法,其将柔性制造思想和计算机控制系统成功地结合在一起,具有柔性化、数字化、无模化等显著优点。经过三十多年的研究和发展,多点成形方法已经在金属三维曲面件成形中得到了广泛应用。多点成形时的柔性防皱工艺为基于柔性化思想而提出的一种新型板材多点成形防皱方法。采用该防皱方法无需增大毛坯尺寸及工序数量即可抑制板材起皱,大幅度降低模具制造成本,并缩短生产周期。本文提出了在板材多点成形过程中使用离散钢垫、条形钢垫及复合弹性垫等抑制板材起皱的柔性防皱方法。采用有限元分析软件Abaqus建立了三种柔性防皱工艺的有限元数值模型。将三种柔性防皱工艺分别应用到球面件及几种非球面双曲率成形件的多点成形过程中,通过数值模拟及试验相结合的方法研究了三种柔性防皱方法对板材成形性的提升作用;此外,研究了柔性防皱工艺中关键工艺参数对板材成形结果的影响,以及在柔性防皱工艺中使用多层钢垫对板材成形结果的影响。本文的主要研究内容和结论如下:1.板材柔性防皱多点成形原理及特点分析基于板材柔性成形思想,提出了在板材多点成形过程中使用柔性防皱工艺抑制板材起皱的方法。详细介绍了离散钢垫、条形钢垫及复合弹性垫等柔性防皱工艺的成形原理及结构形式;基于防皱钢垫结构特征及工作原理,分析了各柔性钢垫抑制板材起皱的机理及成形时所具有的优点。分析结果如下:从钢垫整体柔性角度进行对比,离散钢垫的柔性最好,其“点状”的离散形式使钢垫在横向及纵向均具有较高的柔性。此外钢垫以镶嵌的形式与带孔聚氨酯板组合成形一体,其旋转时完全不受聚氨酯垫限制,具有较高的自由度;从提升模面质量的角度进行对比,条形钢形成的模面最好。其“线型”离散的方式,使钢垫整体既具有较高的连续性,又具有较高的刚度,大幅度提升了形成模面的质量;从适用性角度上对比,复合弹性垫最佳。复合弹性垫可适用于不同材质、不同料厚的板材多点成形。复合弹性垫中离散钢垫和聚氨酯弹性垫组成的三明治结构,可使钢垫单元不与板材直接接触,使得钢垫整体既具有较好的连续性和刚性,又可避免钢垫单元在成形过程中刮伤板材;对三种柔性钢垫的常用工艺结构形式进行了介绍,并对各工艺结构的适用状况及优缺点进行了探讨。2.柔性防皱多点成形有限元模型建立对有限元模拟的求解算法、基本板壳单元理论及材料弹塑性本构关系展开了探讨;研究了数值建模中的单元选择、材料模型选用、接触及摩擦处理、边界条件及网格类型设置等问题;对数值模拟中的一些关键问题进行了分析,并叙述了本文所采用的应对措施;建立了在多点成形过程中采用无垫、使用聚氨酯弹性垫、使用复合弹性垫、使用离散钢垫及使用条形钢垫的有限元数值模型。3.柔性防皱多点成形研究建立了柔性防皱方法的有限元模型。通过与无垫及使用聚氨酯弹性垫的多点成形方式对比,研究了不同柔性防皱工艺对板材成形结果的影响。结果表明:使用柔性防皱工艺可显著改善板材多点成形过程中的应力应变分布状态,提升板材塑性变形程度,抑制起皱、压痕及直边缺陷的产生;综合对比了各柔性防皱工艺对板材起皱缺陷的抑制能力,以及对板材成形精度的提升作用。结果表明:条形钢垫抑制板材起皱的能力最强,但其在成形件横向及纵向成形质量存在差异。离散钢垫抑制板材起皱的能力一般,但其形成模面的精度最高,成形钢板类成形件时精度较高。复合弹性垫成形板厚较薄及材质较软的成形件时,可有效抑制板材起皱,并使成形件具有较高的精度;进行了各柔性防皱工艺的成形试验,并将成形件检测结果与数值模拟结果进行了对比,试验结果与数值模拟基本一致,验证了数值模拟的准确性及有效性。4.其它曲面件柔性防皱成形研究分析了瓜瓣形件、马鞍形件及椭球面件的几何结构特征,依次在三种成形件的多点成形过程中使用复合弹性垫、离散钢垫及条形钢垫抑制板材起皱。根据成形件的结构尺寸,对应的设置了相应柔性钢垫的结构参数,并进行了有限元数值模拟。数值模拟结果表明:根据成形件的特点合理选择柔性防皱工艺,可有效改善板材成形质量,抑制起皱缺陷,并最大限度的提升板材成形精度。5.柔性防皱工艺钢垫排列方式及工艺参数对板材成形结果的影响基于柔性钢垫的结构特点,研究了柔性防皱工艺中钢垫的排列方式对板材成形结果的影响。研究结果表明,通过优化钢垫排列方式,可显著改善板材表面应力应变分布状态,进一步提升板材成形质量及精度。相较于无垫成形方式,在多点成形过程中使用常规排列、交错排列及交互排列方式的离散钢垫,可将成形件平均误差分别降低70.19%、72.44%及74.70%。与常规排列方式相比,在板材多点成形过程中使用交错排列及交互排列的离散钢垫,可进一步将成形件平均误差降低7.86%及15.12%;通过数值模拟研究了条形钢垫中聚氨酯板的厚度对板材成形性的影响。结果表明,在进行条形钢垫结构设计时,选择合适的聚氨酯垫厚度,能显著改善板材成形质量,并大幅度提升板材成形精度;通过有限元数值模拟研究了复合弹性垫中两层聚氨酯板的厚度对板材成形质量的影响。研究结果表明,钢垫单元上、下侧聚氨酯垫厚度选择不同数值会显著影响板材成形结果,靠近板材侧的聚氨酯垫厚度需较薄,通常设置为5 mm,而靠近冲头单元侧的聚氨酯垫厚度则需根据经验数据及数值模拟结果进行确定。6.多层钢垫对板材成形结果的影响研究了在柔性防皱工艺中使用多层钢垫对板材成形结果的影响。建立了具有多层钢垫的离散钢垫、条形钢垫及复合弹性垫的有限元数值模型,并对成形件的应变、回弹及成形精度等展开了对比分析。结果表明:与单层钢垫的离散钢垫相比,使用具有双层钢垫的离散钢垫能进一步提升成形件表面应力应变分布的均匀性,增大板材塑性变形程度,提升成形精度;随着钢条层数的增加,条形钢垫整体刚度逐渐增强,可进一步增强条形钢垫抑制板材起皱的能力。但同时发现,增加钢条层数并不能完全消除使用条形钢垫后成形效果具有方形性的缺陷。此外,使用钢条层数过多,会造成条形钢垫柔性下降,成形具有局部小特征成形件时会变得困难;与无垫成形相比,使用具有双层钢垫的复合弹性垫可大幅度提升成形件应力应变分布的均匀性,降低板材产生皱纹的趋势,提升成形精度,并减小回弹。与单层钢垫的复合弹性垫相比,在复合弹性垫中使用双层钢垫后,成形件回弹减小了35.11%,最大误差值降低了13.2%。