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《局部加载控制不均匀变形与精确塑性成形：原理和技术》可作为从事塑性成形理论与技术方面研究工作的教师、研究生、科研及工程技术人员的参考。9787030428707
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| 內容簡介： |
将难变形材料复杂结构制造成高性能轻量化构件既是航空航天等领域高端制造发展的战略需求，又是国际成形前沿领域的挑战性难题。著者提出了以局部加载主动调控和利用不均匀变形实现精确塑性成形成性一体化的新思路。
《局部加载控制不均匀变形与精确塑性成形：原理和技术》以所提出的新思路为主线，以多尺度仿真建模结合理论和试验研究为主要手段，建立了精确塑性成形全过程多尺度仿真模型；以分析难变形材料复杂结构不均匀变形机理与精确塑性成形规律为基础，阐述了主动调控不均匀变形实现精确塑性成形的原理和技术。《局部加载控制不均匀变形与精确塑性成形：原理和技术》是一本系统阐述这方面重要进展的专著。内容包括局部加载不均匀压下板带面内弯曲精确成形、管轴压无模约束精确成形、钛合金复杂大件等温局部加载成形、难变形管材数控弯曲精确成形、大型薄壁异形件复合旋压精确成形、难变形材料环件辗轧成形的原理与技术。
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| 目錄：
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目 录
第1章 数学预备知识和输液管动力学模型 1
1.1分岔理论 1
1.1.1分岔的基本概念 1
1.1.2极限环 2
1.1.3 Hopf分岔定理 2
1.1.4分岔的余维数 3
1.2分岔分析方法 4
1. 2.1中心流形约化 4
1.2.2多尺度法 5
1.2.3规范型方法 6
1.2.4 Poincare截面 6
1.3通向混沌的道路 7
1. 3.1倍周期分岔 7
1.3.2概周期分岔 7
1.4输液管建模基本假设， 8
1. 4.1符号和坐标系． 8
1.4.2不可延伸性条件 8
1.4.3 曲率表达式 9
1.5输液管动力学模型 10
1. 5.1悬臂输液管梁模型 10
1.5.2两端支承输液管梁模型 11
1.5.3输液管薄壁壳模型 12
1.6关于书中符号标记的说明， 13
参考文献 14
第2章 悬臂输液管稳定性 15
2.1悬臂输液管建模 15
2 .1.1悬臂输液管力学模型 15
2.1.2悬臂输液管横向小振幅运动微分方程 15
2.2夏超越方程数值求解方法 19
2.2.1割线法 19
2.2.2复方程复根的割线算法 20
2.2.3割线法和牛顿法比较 21
2.2.4割线法求解复杂超越方程 21
2.3悬臂输液管道颤振失稳分析 23
2.3.1模态分析方法 23
2.3.2伽辽金法 25
2.3.3输液管颤振失稳分析 28
2.4伽辽金模态截断数对特征值的影响 30
2.5模态形状的演化 36
2.5.1微分求积法简介 37
2.5.2控制方程的微分求积格式 38
2.5.3模态形状演化 39
2.6本章小结 41
参考文献 42
第3章 非均匀悬臂输液管稳定性 43
3.1问题介绍 43
3.2悬臂变截面输液管的稳定性 44
3.2.1运动微分方程 44
3.2.2稳定性分析 47
3.3双材料悬臂输液管的稳定性 53
3.3.1运动微分方程 53
3.3.2算法验证 55
3.3.3铝管和钢管组合 56
3.3.4铝管和环氧树脂管组合 59
3.4本章小结 63
参考文献 63
第4章 两端支承输液管稳定性 65
4.1两端支承输液直管的屈曲失稳 65
4.1.1运动微分方程 65
4.1.2动力刚度法 66
4.1.3屈曲失稳分析 68
4.2两端支承输液曲管的稳定性 71
4.2.1运动微分方程 71
4.2.2固有频率和稳定性 72
4.3随从力对两端支承输液管稳定性的影响 76
4.3.1运动微分方程 76
4.3.2稳定性分析 78
4.4本章小结 82
参考文献 82
第5章 微尺度输液管稳定性 84
5.1微尺度输液管的力学模型 85
5 .1.1修正偶应力理论 85
5.1.2应变梯度理论 86
5.1.3微尺度输液管力学模型的基本假设 87
5.2微尺度输液管的运动方程， 88
5.2.1基于修正偶应力理论的运动微分方程 88
5.2.2基于应变梯度弹性理论的运动微分方程 90
5.2.3非均匀流速分布对运动方程的影响 92
5.3微尺度输液管的稳定性分析 93
5.3.1修正偶应力理论的计算结果 94
5.3.2应变梯度理论的计算结果 97
5.3.3非均匀流速分布对系统稳定性的影响 99
参考文献 101
第6章 纳尺度输液管稳定性和波传播 104
6.1纳尺度输液管动力学分析的基本假设 104
6.2基于非局部弹性理论的输液管模型 106
6.2.1运动方程 106
6.2.2稳定性分析 109
6.3基于应变，惯性梯度理论的输液管模型 111
6.3.1运动方程 111
6.3.2稳定性分析 113
6.3.3波传播分析 115
6.4基于表面能理论的输液管模型 117
6.4.1运动方程 117
6.4.2稳定性分析 118
6.5本章小结 120
参考文献 120
第7章 悬臂输液管流致颤振和混沌运动 123
7.1带有喷嘴和非线性约束的悬臂输液管动力学模型 123
7.2带有喷嘴和非线性约束的悬臂输液管伽辽金截断 127
7.3带有喷嘴和非线性约束的悬臂输液管失稳分岔分析 127
7.3.1失稳临界条件 127
7.3.2分岔分析 129
7.3.3分岔分析结果数值仿真验证 134
7.4具有非线性约束圆弧形输液曲管的动力响应 141
7.5本章小结 143
参考文献 144
第8章 水平悬臂输液管内共振和余维2分岔 145
8.1水平输液管动力学模型 145
8 .1.1弧坐标和曲率 146
8.1.2管单元力学分析 146
8.1.3控制方程 148
8.1.4无量纲化方程 149
8.2水平输液管内共振临界流速 149
8.2.1量级分析 149
8.2.2多尺度分析 149
8.2.3临界流速 150
8.2.4 3:1内共振和可解性条件 153
8.3水平悬臂输液管的3:1内共振分岔 156
8.3.1平衡解及其稳定性 156
8.3.2分岔分析 158
8.4水平悬臂输液管主参数和3:1联合共振 164
8.4.1 3:1内共振和主参数共振联合响应 164
8.4.2平衡解及其稳定性 166
8.4.3佘维2分岔 170
8.4.4倍周期分岔和混沌 175
8.5本章小结 177
参考文献一 178
第9章两端支承输液管非线性动力响应 180
9.1简支输液直管的参数振动及非线性约束力的影响 180
9 .1.1运动微分方程 181
9.1.2偏微分方程转化为常微分方程组 183
9.1.3非线性动力响应计算 185
9.2微弯简支输液管的后屈曲 191
9.2.1运动微分方程 192
9.2.2倔微分万栏转化为常微分万栏组 192
9.2.3后屈曲形态 193
9.3圆弧形输液曲管的参数振动 197
9.3.1非线性控制方程 197
9.3.2求解方法 200
9.3.3固有频率 203
9.3.4面外参数振动的稳定性边界 203
9.3.5非线性动力响应数值分析 205
9.3.6与实测值的对比验证 .206
9.4本章小结 207
参考文献 207
第10章 两端支承输液管涡激振动 209
10.1问题背景 209
10.2涡激振动原理介绍 210
10.3定常内流下输液管的涡激振动 212
10.3.1模型假设. 212
10.3.2运动方程 213
10.3.3屈曲前的动力学行为 214
10.3.4屈曲后的动力学行为 218
10.4脉动内流下输液管的涡激振动 223
10.4.1运动方程 223
10.4.2分析方法 224
10.4.3结果分析 229
10.5本章小结 232
参考文献 233
第11牵 输液管稳定性控制 235
11.1引言 235
11.2悬臂输液管道时滞控制的力学和数学模型 236
11.2.1控制器力学模型. 236
11.2.2数学模型 237
11.3悬臂输液管道时滞控制稳定性分析 239
11.3.1无控制系统的稳定性 242
11.3.2 时滞控制系统的稳定性分析 243
11.3.3 时滞控制系统的稳定性判定 245
11.4时滞稳定性控制实例 246
11.5带Y型喷头输液管的稳定性控制 256
11.5.1力学模型 256
11.5.2运动微分方程 257
11.5.3稳定性的控制 259
11.6本章小结 261
参考文献 262
第12章 输液管颤振时滞控制数值仿真 264
12.1问题介绍 264
12.2输液管道颤振失稳的数值模拟 265
12.2.1差分格式 265
12.2.2差分格式的算法实现 269
12.2.3利用差分法的数值仿真 270
12.3输液管道颤振失稳时滞控制的数值仿真 275
12.3.1差分格式 275
12.3.2差分格式的算法实现 278
12.3.3利用差分法的数值仿真 279
12.4改进时滞控制策略展望 281
12.4.1输液管道时滞控制策略的改进方法 282
12.4.2改进后时滞控制系统的数值模拟 282
12.4.3其他的时滞控制改进策略 285
参考文献 286
第13章 欧拉梁模型弹性体参数共振 287
13.1问题介绍 287
13.2伽辽金离散 288
13.3中心流形分析 290
13.3.1正交变换 290
13.3.2非自治方程变换为自治方程 291
13.3.3中心流形计算 292
13.4中心流形上的动力学及规范型 293
13.4.1 u远离200情形 296
13.4.2 u远离uo情形 298
13.4.3 u接近2coo3情形 299
13.4.4∽接近000情形 300
13.4.5∽接近2uo情形 302
13.5本章小结 303
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| 內容試閱：
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第一章 绪 论
1.1 塑性成形的特点及影响因素
1.1.1 塑性成形的特点及作用
塑性是指材料在外力作用下发生永久不能恢复的变形而不破坏其完整性的能力。塑性成形主要是通过工模具和设备对材料施加力场或再辅以温度场，利用其塑性使其成形，获得形状，尺寸和力学性能都满足要求的零构件的制造技术。
塑性成形是机械制造工业的重要组成部分，其独特的优势使其成为国民经济中不可或缺的重要制造技术。目前，90%以上的铸钢以及75%以上的金属材料要通过塑性成形才能获得应用。该技术具有以下特点：
（1）塑性成形是绿色、节约型制造技术
塑性成形主要依靠材料在塑性状态下的体积转移来实现，成形过程中不产生切屑，只有少量的工艺废料，理论上是等量制造技术。通过精确塑性成形的方法，可进一步降低余量，达到少或无切削的要求。因此，材料的利用率高。通过减少原材料消耗、废料、污染和能源消耗，不仅降低了生产成本，而且还对环境友好，是重点发展的关键绿色，节约型制造技术。例如常见的圆锥齿轮件，采用棒材为原始坯料切削制造时材料利用率约为40%，采用普通模锻成形锻坯再切削获得成品的材料利用率可达60%，而采用精密模锻技术制造时材料利用率高达80%.
（2）塑性成形是实现高性能轻量化成形成性一体化的重要制造技术
金属材料在塑性成形过程中，不仅形状和尺寸发生改变，而且其内部组织同时会发生变化。经过相应的塑性成形，其组织和性能都可改善和提高。如铸件内部组织疏松多孔，晶粒粗大且不均匀，塑性成形可焊合其内部缺陷，使结构致密并细化组织、改善偏析，使之成为质量合格的材料。以此为原材料，通过塑性成形制造零件毛坯或零件成品，可使其流线分布合理，进一步提高零件的力学性能。采用精锻工艺制造的圆锥齿轮比切削加工制造的圆锥齿轮强度提高，通过适当的塑性成形工艺，还可实现零件微观组织的精确控制，从而提升性能。如钛合金整体叶盘可通过塑性成形在零件不同部位获得不同类型的组织，实现综合性能的匹配。金属丝材可以通过冷拉拔增加内部晶体缺陷从而提高其强度。因此，塑性成形是实现高性能轻量化构件成形成性一体化制造的重要关键技术。
（3） 塑性成形是稳定、高效、批量、低成本制造技术
塑性成形主要是通过模具或专用装置对坯料施加外力成形出所需要的产品，工件的形状和尺寸均由模具确定，且工艺过程稳定可控，因此，产品尺寸精度较高，表面粗糙度低，形状、尺寸和性能的一致性好。采用精密模锻、精密冲裁等工艺制造的零件其尺寸精度和表面粗糙度可达到磨削的水平。例如，精密模锻制造的直齿锥齿轮，齿形精度达到七级，无需进行机械加工，精锻叶片轮廓尺寸公差可达0.05mm，厚度尺寸公差可达0.06mm，曲面只需磨削。
塑性成形通常以模具为主要工装，成形过程操作简单，易于实现机械化和自动化流水作业。随着工具和设备的改进及自动化程度的提高，成形效率也大幅提高。例如，高速冲床的稳定行程次数已经达到4000次min；在120MN热模锻压力机上锻造一根汽车发动机六拐曲轴只需40s；在双动拉深压力机上成形一个汽车覆盖件仅需几秒钟。
（4）塑性成形是技术密集、知识密集和高增值的高端制造技术
塑性成形是多场多因素耦合作用下的物理过程，材料宏微耦合本构关系、模具3坯料接触条件以及大变形几何的多重非线性使其过程十分复杂，材料在塑性变形中组织性能的变化更增加了预测和控制的难度，但材料经过塑性成形成为高性能轻量化零构件后，其价值会成倍甚至多倍地增加。塑性成形研发涉及机械、材料、力学、数学、物理、计算机、热学、控制和信息等多学科与技术的交叉和有机融合，具有技术密集、知识密集和高增值的高端制造显著特点。
（5）塑性成形是不可替代的重要科技领域和工业强基的核心领域
塑性成形的生产能力和工艺水平代表着一个国家制造行业的核心竞争力。塑性成形在机械、航空、航天、汽车、能源、舰船、兵器、仪器仪表等行业中均起着极为重要的作用。
航空、航天、汽车、核电、水电等高端装备制造和机械基础件制造是塑性成形的重要应用领域。塑性成形制造的零构件在航空航天飞行器中占60%~70%，在汽车中占70%~80%，特别是塑性成形的高性能轻量化件是保证先进运载装备服役性能的核心基础。先进飞机中的关键承力构件，如隔框、翼梁、起落架，以及蒙皮、管路等大都采用塑性成形发动机中的叶片、轮盘、机匣等关键构件一般也采用锻件。随着我国塑性成形高端制造技术和制造业的不断进步，其重要性和作用愈加凸显。
塑性成形有多种方法，并形成了各自的工艺领域。按照坯料和变形的特点，一般将塑性成形分为体积成形和板料成形两大类。体积成形依靠变形和体积的转移来实现，所用的坯料一般为棒料或块料，受力属于三向应力状态。其中，用于制造原材料（如板、管、棒、型材）的工艺称为一次加工，主要包括轧制、挤压、拉拔等；用于制造零件或坯料的工艺称为二次加工，包括自由锻和模锻。
板料成形又称为冲压，它以厚度较小的板料为坯料，变形过程多可按平面应力状态分析。板料成形包括分离工序和成形工序两大类：分离工序通过冲压使板料沿一定的轮廓线相互分离，如冲裁、剪切等；成形工序使板料产生所需要的塑性变形和位移，获得形状，尺寸和精度满足要求的零件，如弯曲、拉深、胀形、翻边等。
随着难变形新材料和难成形新结构的不断涌现，人们还在不断研发新的塑性成形方法，这将进一步扩大塑性成形技术的应用范围，因此，塑性成形是不可替代的重要科技领域和工业强基的核心领域。
1.1.2塑性成形的复杂性及主要影响因素
塑性成形的复杂性体现在成形过程的复杂性、物理现象的复杂性、影响成形质量基本要素的复杂性以及可控成形参数的复杂性等方面，这使其研发极具挑战性。
从铸锭到零件终成形，一般首先要通过一次加工将铸锭制成用于制造的原材料，如棒料、板料等，然后经二次加工获得零件（见图1.1）。一次加工和二次加工中均可能含有多个成形工步，各工步并不完全独立，前一工步的成形结果会对下一工步产生影响，并最终决定零件的成形。每一工步均可能是在热力耦合作用下的复杂不均匀变形过程。材料的状态、加载条件、模具和装备工况以及生产环境等均可能影响零件的形状尺寸和组织性能。
同时，塑性成形过程中均可能发生多种复杂的物理现象，主要包括:
1弹塑性变形现象。从简单坯料到复杂形状零件，包括零件的高性能轻量化，主要依靠塑性变形来实现，而塑性变形又伴随着弹性变形。塑性变形中应力，应变关系呈非线性。材料在加载过程和卸载过程中符合不同的规律，应力应变之间又非单值对应关系，而是与变形路径相关。准确描述材料的弹塑性本构关系与分析成形是塑性成形研究面临的难题。
2接触现象。工模具对坯料表面法向和切向的接触作用是施加力场的基本方式。同时，接触面的热传导和摩擦生热会对成形中的温度场产生显著影响。这些现象与模具和坯料的材料属性、表面状态、润滑条件，以及成形的工艺参数，均有直接的关系。如何获得与实际相符的力热边界条件十分关键。
3摩擦磨损现象。工模具与坯料接触面上的摩擦可改变坯料的内应力状态，增大变形抗力，引起不均匀变形，产生附加应力和残余应力，并导致模具直接磨损、软化等。相对于机械传动摩擦，塑性成形摩擦更为复杂，塑性成形中的摩擦伴随着变形金属的塑性流动，塑性流动情况不同，摩擦也不相同接触面上压强高，实际接触面大且不断有新的摩擦面产生，使润滑困难接触面常处于高温下，产生氧化层、模具软化、润滑剂分解等现象。目前，高接触压力和塑性变形下的摩擦机理尚不明确，这使摩擦行为的描述和定量测量十分困难。
（4）大位移、大转动和大变形现象。塑性成形从变形几何学上看属于大变形过程，工件构形的不断改变引起几何非线性问题，使得对变形及受力分析的数学描述更加困难。
（5）组织演变现象。塑性成形中必然伴随组织的变化，组织的改变是该技术实现成形成性的基础。材料组织的改变将影响其本构行为，从而对成形中材料的塑性变形行为产生影响。组织演变的形式和内在机制与材料属性以及塑性成形的加载方式和条件密切相关。如在冷成形条件下，金属变形后主要形成亚结构和变形织构，使得强度升高并出现各向异性在热塑性成形中则可能发生动态再结晶，使得晶粒细化。塑性变形中存储的畸变能对后续加工中的组织演变，如晶体再结晶、相变等也有重要影响。如何描述组织演变及其对成形过程的作用规律是成形成性一体化制造的基础。
（6）缺陷产生现象。加载条件和工艺控制不当可能导致过程失稳而产生成形缺陷。常见缺陷包括开裂、起皱、粗晶、混晶等。不同塑性成形工艺中可能产生的缺陷及相应的诱因不同。如何获得合适的加载条件和工艺控制方法避免缺陷的产生是实现极限塑性成形的基础。
影响塑性成形质量的基本要素包括材料、产品形状和性能要求、成形方式与成形条件、模具质量与工况、摩擦与润滑、装备性能与状况、生产环境等。其中，材料，产品结构形状和性能要求，成形方式与条件是影响塑性成形技术发展的核心因素。
（1）材料因素。材料的属性庞大而复杂，是一个专门的研究领域。其中材料的变形行为、本构关系、组织演变机制和规律等对塑性成形的影响尤为突出，也是选择成形方式与成形条件的重要依据。
（2）产品形状和性能要求。塑性成形产品和性能要求多种多样，产品的结构局部加载控制不均匀变形与精确塑性成形。原理和技术形状和性能要求对选取塑性成形工艺至关重要。
（3）成形方式与成形条件。影响塑性成形质量的最主要因素，也是实现塑性成形技术创新的关键所在。其决定了塑性成形中加载的力学条件、几何条件以及材料性能等关键成形参数，从而决定了产品形状和性能。由成形参数决定的材料的塑性变形将简单坯料成形为复杂零构件，而这期间产生的不均匀塑性变形则可能诱发成形缺陷。力场与温度场的耦合作用促使材料的组织发生变化，同时也使得塑性成形过程更为复杂。准确描述成形方式与条件对成形质量的影响需要恰当描述工件的大塑性变形，不断变化的形状及组织演变的耦合作用，并探明成形参数的影响规律。
塑性成形可控工艺参数同样也十分复杂。材料几何参数、热物参数、力学参数的变化，加载力学条件和几何条件的不同以及加热冷却温度路径的选择均可能影响成形结果。
塑性成形过程复杂，影响因素众多，使其研发具有挑战性。目前，还不能建立对塑性成形过程进行系统深入研究的直接观察方法，而基于理论、经验和反复试验的方法难以满足复杂塑性成形过程研究与数字化、智能化、高技术化发展的需求。这同样使得塑性成形的研发充满了机遇，每一项进展都可能具有知识创新和技术创新的意义以及强化生产能力和提高经济效益的实用价值。
1.2先进塑性成形的发展趋势与学科前沿
先进塑性成形理论与技术发展的源动力之一，就是为了不断满足国防及高新技术发展对先进塑性成形制造越来越苛刻的要求。航空航天飞行器装备制造是最具前沿引领性和产业带动性的国家战略性产业，是国家综合实力的重要体现航空发动机是我国急需的核心航空装备和战略性产业，被誉为装备制造业，皇冠上的明珠-，燃气轮机产业也是我国急需的核心能源装备和国家能源战略性产业汽车制造涉及的技术密集、产业关联度高、规模效益明显。未来十年是我国航空、航天、汽车及能源等高端制造业发展的战略机遇期，需要先进塑性成形技术的全面支撑与提升。我国正在实施的国家与国防中长期科技发展规划，以大型飞机载人航天与探月工程，高档数控机床与基础制造装备和，航空发动机与燃气轮机等一系列科技重大专项与重大工程，对先进塑性成形都有重大而迫切的需求，要求先进塑性成形高端制造零构件朝着高性能、轻量化、高精度、低成本、高效率、能源高效利用与资源节约型、环境友好的方向发展。上述重大需求使得先进塑性成形研究的发展趋势和学科前沿汇聚在以下几个方面。
1）高性能轻量化构件精确塑性成形是研发的主题目标
航空、航天、汽车、能源等领域的发展对装备提出了大运力、低能耗和长寿命的要求，采用高性能、轻量化和功能高效化的构件制造装备是实现上述要求的必然途径。因此，高性能轻量化构件精确塑性成形已经成为先进塑性成形技术研发的主题目标。
我国新一代战机要超越现役机型，要求主要结构件的静强度提高10%、断裂韧性提高20%、耐蚀性提高50%、裂纹扩展速率降低28%，而整机重量降低10%大型客机的设计性能目标由6
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