国家自然科学基金(NSFC)申请书样本

国家自然科学基金申请书 2011版 第9页版本1.003.738 国家自然科学基金(NSFC)申请书样本E050802受理部门收件日期受理编号申请代码国家自然科学基金申请书(2011版)您现在不能检查保护文档或打印文档，请根据以下三个步骤操作：1)如果您是Word2000,wordXP,word2003或以上版本用户，请把Word宏的安全性设为:"中"方法:Word菜单->工具->宏->安全性->安全级,设置为"中"(如果您是Word97用户，继续执行以下步骤)(如果您是Office2007用户，点击word左上角"安全警告"处"选项"中的"启用此内容")2)关闭本文档，重新打开本文档您现在不能检查保护文档或打印文档，请根据以下三个步骤操作：1)如果您是Word2000,wordXP,word2003或以上版本用户，请把Word宏的安全性设为:"中"方法:Word菜单->工具->宏->安全性->安全级,设置为"中"(如果您是Word97用户，继续执行以下步骤)(如果您是Office2007用户，点击word左上角"安全警告"处"选项"中的"启用此内容")2)关闭本文档，重新打开本文档3)点击"启用宏"按钮，即可开始填写本文档或打印了亚类说明：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单位电话子邮箱：apsong@申报日期：201FORMTEXT1年FORMTEXT3月FORMTEXT3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电子邮箱apsong@传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)：FORMTEXT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)FORMTEXT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）11949-7-25男教授硕士扬州大ims@方案论证与规划821957-3-12男教授博士扬州大izengcf@163.com材料冲击试验系统设计1031954-4-27男高级工程师硕士扬州大hytang@试验装置的设计与制造1041976-3-9男讲师硕士扬州大henfei@力学分析与仿真1051971-9-23男工程师硕士扬州大zhli@板料冲击变形试验1061987-8-21男硕士生学士扬州大学0514-87978377489646730@冲击成形路径规划1071988-8-23男硕士生学士扬州大dhuangjian@自动数控编程软件开发1089总人数高级中级初级博士后博士生硕士生FORMTEXT=ffdMmb_seniorno+ffdMmb_middle_no+ffdMmb_juniorno+ffdMmb_postdrno+ffdMmb_drcanno+ffdMmb_mscanno88FORMTEXT4FORMTEXT2FORMTEXTFORMTEXTFORMTEXTFORMTEXT2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FORMTEXT=sum(tbl_budgetb3:b3)+sum(tbl_budgetb9:b9)+sum(tbl_budgetb12:b12)+sum(tbl_budgetb15:b16)5252.0000FORMTEXT1.科研业务费FORMTEXT=sum(tbl_budgetb4:b8)2222.0000FORMTEXT（1）测试/计算/分析费FORMTEXT8.0000FORMTEXT板料冲击变形试验测试、数值模拟分析计算（2）能源/动力费FORMTEXT4.0000FORMTEXT1FORMTEXT电力、机油等消耗（3）会议费/差旅费FORMTEXT4.0000FORMTEXT会务费、调研费（4）出版物/文献/信息传播费FORMTEXT4.0000FORMTEXT论文版面费、文献、纸张、打印费（5）其他FORMTEXT2.0000FORMTEXT资料费等2.实验材料费FORMTEXT=sum(tbl_budgetb10:b11)1313.0000FORMTEXT（1）原材料/试剂/药品购置费FORMTEXT8.0000FORMTEXT试验用材料与材料预加工费（2）其他FORMTEXT5.0000FORMTEXT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FORMTEXT=sum(tbl_budgetb13:b14)1010.0000FORMTEXT（1）购置FORMTEXT4.0000FORMTEXT试验专用测试仪器的购置（2）试制FORMTEXT6.0000FORMTEXT试验装置部分工装的加工4.实验室改装费FORMTEXT4.0000FORMTEXT实验室环境与试验条件的改善5.协作费FORMTEXT3.0000FORMTEXT个别测试仪器的外协与使用费二.国际合作与交流费FORMTEXT=sum(tbl_budgetb18:b19)33.0000FORMTEXT1.项目组成员出国合作交流FORMTEXT3.0000FORMTEXT出国参加国际学术交流费用2.境外专家来华合作交流FORMTEXTFORMTEXT三.劳务费FORMTEXT3.0000FORMTEXT研究生劳务补助四.管理费FORMTEXT3.0000FORMTEXT科研项目管理费合计FORMTEXT=sum(tbl_budgetb2:b2)+sum(tbl_budgetb17:b17)+sum(tbl_budgetb20:b21)6161.0000FORMTEXT与本项目相关的

其他经费来源国家其他计划资助经费FORMTEXT其他经费资助（含部门匹配）FORMTEXT22.0000其他经费来源合计FORMTEXT=sum(tbl_budgetc23:c24)2222.0000 第61页 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）：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)(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（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]图3多点模具成形过程图4多点压机成形过程(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时各基本体之间的相互耦合关系,提高了多点成形工件的精度。文献[29]提出针对复杂曲面物体在虚拟环境中的再现问题，依据复杂曲面上提取的已知数据点，快速反算曲面的控制顶点；由控制顶点、节点矢量确定B样条曲面。文献[30]提出用若干双三次Bezier小曲面片拼接来拟合大曲面，在解决曲面片反算问题的基础上，提出曲面片的一种光滑拼接方案，该方法用于头骨修补钛曲面板的分析。文献[31]基于给定权构造的重心有理插值来计算导数的近似值,再通过两族参数作为形状调节参数来构造3/1型有理插值样条，使得插值函数保单调、保凸。根据板料渐进冲击变形的特点，板料变形过程曲面几何描述方式必须具有灵活的曲面构造能力，具备良好的局部可控性，并能将局部描述小曲面光顺的拼接为整体描述曲面，也可以将整体描述曲面分解为若干个小曲面描述，并能将曲面描述特征点与板料渐进成形路径的控制点融合。现有文献中提出的曲面描述方法还不能完全满足这些需求，仍需要探索一种新型的曲面板料的几何表达方法。本课题首次提出板料渐进冲击成形方式，具有明显的创新性，将冲击动能转化为板料变形能，采用较小的驱动能就可以使金属板料实现渐进成形，其具有板料成形速度快、可控性强、灵活性好、板料成形能力强等特点。本课题对高速冲击变形时板料的应力应变本构模型以及板料冲击变形状态的研究，不仅将对板料冲击成形技术的开发与应用奠定理论基础，而且该研究结果对车辆、船舶、飞机、卫星等器械的板料防护安全与板料破损的研究也具有一定的参考作用，同时对提升板料成形能力、改善材料力学性能也有一定的帮助。本课题依托板料塑性成形理论、冲击动力学、冲压技术、CAD/CAM技术与数控技术，探索曲面板件的敏捷加工方法，其对多品种、小批量曲面板件的快速加工更具有明显优势，对一些复杂板件与难加工材料的成形具有明显的作用。目前，国内正在进行大飞机、高速轨道机车、新型的航天航空飞行器等高科技项目的研究，这些高科技项目都涉及到曲面板件的快速成形加工。本课题的研究内容为曲面板件的快速成形加工提出了一种新思路，同时也将为汽车覆盖件、军工产品的板件、飞行器的蒙皮、风力发电机组的外罩等各种板件的快速加工提供一种新型的加工方法。参考文献：[1]李硕本编著.冲压工艺理论与新技术[M]，机械工业出版社，2002年10月[2]李明哲,蔡中义,崔相吉.多点成形——金属板材柔性成形的新技术[J].金属成形工艺,2002,Vo1.20(6):5-9[3]宋爱平,易红,汤文成,倪中华.杆系柔性成形模具及其板成形加工关键技术[J].中国机械工程,2005,Vol.16(21)[4]莫健华,陈正迪等.金属板料数控渐进成形技术[J].航空制造技术,2002(12):25-27[5]李珑果,高霖,韦红余.金属板料渐进成形有限元仿真过程中复杂成形路径的构建方法[J].机械工程学报,Vol.42(6),2006，227-230[6]周建忠,张永康,周明等.单次激光冲击下板料变形的理论分析[J].中国激光，Vol.32(1)，2005，135-138[7]殷苏民,张雷洪,杨兴华等.板料激光斜冲击下受力变形数学分析[J].农业机械学报，Vol.37(12),2006,185-188[8]裴永生，彭加耕，李明哲.多点成形过程中基本体群调形技术[J].机械工程学报，Vol.44(1)，2008，150-154[9]宋爱平，王隆太，李吉中等，板面弹性压板力对提升板料失稳临界应力的作用及其应用[J].中国工程科学，2009，Vol.11(2)，53-59[10]宋爱平,王隆太,李鹭扬,多点压板成形技术及其板料冲压成形工艺[J].塑性工程学报,2008，vol.15(5)，108-114[11]K.Mori,M.Yamamoto,K.Osakada.Determinationofhammeringsequenceinincrementalsheetmetalformingusingageneticalgorithm[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,Vol.60,1996,463-468[12]Piskun,V.V.ElastoplasticdeformationofacompounddiskunderimpulsiveloadingInternationalAppliedMechanics,v.41(4),2005,421-425[13]DanielF.W,JeanF.H,JohnM.P.UsingReconfigurableToolingandSurfaceHeatingforIncrementalFormingofCompositeAircraftParts,JournalofManufacturingScienceandEngineering[J],2003,Vol.125(3)[14]崔高领,蒋志刚,胡平.冲击荷载作用下金属方板的变形与起裂分析[J].振动与冲击，Vol.27(10),2008,170-174[15]Gupta,Nagesh.Deformationandtearingofcircularplateswithvaryingsupportconditionsunderuniformimpulsiveloads[J].Int.J.ImpactEng.,2007(34),42—59.[16]杨振字.高速冲击下材料的增塑效应、变形形态及性能[J].兵器材料科学与工程。No.1,1990,7-13[17]M.Jiea,C.H.Cheng,L.C.Chanb,C.L.Chowa.Forminglimitdiagramsofstrain-rate-dependentsheetmetals[J].InternationalJournalofMechanicalSciences,Vol.51,2009,269-275[18]包卫平，任学平.纯铁在高应变率下的流动应力特征及其动态塑性本构关系[J].塑性工程学报，Vo1.16(5),2009,125-129[19]王金鹏,曾攀,雷丽萍.2024A1高温高应变率下动态塑性本构关系的实验研究[J].塑性工程学报，Vol.15(3)，2008，101-105[20]R.Smerda,S.Winklera,C.Salisburya.Highstrainratetensiletestingofautomotivealuminumalloysheet[J].InternationalJournalofImpactEngineering，Vol.32(2005)541-560[21]HaidongYu,YongjinGuo,XinminLai.Rate-dependentbehaviorandconstitutivemodelofDP600steelatstrainratefrom10-4to103s-1[J].MaterialsandDesign，Vol.30(2009),2501-2505[22]尚兵,盛精,王宝珍.不锈钢材料的动态力学性能及本构模型[J].爆炸与冲击,2008,Vol.28(6),527-531[23]任家陶,李冈陵,豆志武.双向拉伸试验的进展与钛板双向拉伸的强化研究[J].实验力学Vol.16(2),2001,198-205[24]MalaSeth,VincentJ.,GlennS.Formabilityofsteelsheetinhighvelocityimpact[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,Vol.168(2005),390-400[25]RenfuLi,GeorgeA.,J.Simitses.Point-wiseimpulse(blast)responseofacompositesandwichplateincludingcorecompressibilityeffects[J].InternationalJournalofSolidsandStructures,Vol.46(2009),2216-2223[26]ZhangYK,ZhangXR,WangXD,etal.Elasticpropertiesmodificationinaluminumalloyinducedbylaser-shockprocessing[J].MaterialScienceandEngineering,2001[A],Vol.297:138-143.[27]孟正华,黄尚宇.高速率成形中材料成形性的影响因素[J].锻压技术,Vol32(4),2007[28]刘纯国,李明哲,隋振.多点闭环成形中基本体群曲面描述方法的研究[J].中国机械工程,Vol.14(24),2003,2071-2073[29]陈国振,刘静华.B样条曲面自适应拟合算法[J].北京航空航天大学学报,Vol.33(2),2007,210-213[30]陈炼,汤正诠,贾红丽.5X5片双三次Bezier曲面片的一类C2光滑拼接方案[J].应用数学与计算数学学报,2007,Vol.21(2),1-9[31]赵前进,唐如忠,张玉武.3/1型有理插值样条[J].安徽工程科技学院学报,2010,Vol.25(1),65-68项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题。研究内容：本课题的主要研究内容：分析金属板料的冲击变形力学机理，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，在此基础上分析高速冲击下的板料变形形态，确定冲击动能与板料冲击变形量的关系，研究板料渐变过程中曲面板料的几何描述方法，规划板料渐进成形路径，构建板料渐进冲击成形试验平台，实施板料渐进冲击成形试验，为渐进冲击成形技术的开发与应用奠定理论基础。具体研究内容有如下几方面。（1）金属板料在双向拉伸高应变率下的应力应变本构模型的研究初步的研究发现快速的冲击变形会改变材料的应力应变关系。金属材料的变形主要体现为材料晶格的滑移，由于材料晶格的滑移也是有时间域的，这样会产生材料变形的迟滞性，这种迟滞性会改变材料的本构模型；同时高速变形时材料惯性的影响将会增大，材料受力变形更加均衡，不易产生缩颈，材料的变形能力会有所提升。当然这种分析结果需要通过深入的理论分析与试验研究加以论证，本课题将重点研究金属板料在高速冲击变形下的变形特征及其应力应变本构模型。该研究内容不仅为金属板料渐进冲击成形技术的研发打下理论基础，也为其他各种板料高速变形分析提供科学依据，同时也为高韧性板料的冲击成形提供一种有效的途径。（2）高速冲击下的板料变形形态冲击速度、冲击能的变化会改变板料的变形状态。初步的分析表明：冲击速度越高，板料的变形局部性越明显，冲击力对冲击接触区域外围的板料变形影响越小。已有的实际经验表明：自由飞行的高速弹丸撞击金属板料时，只在板料上留下与弹丸直径相当的孔，孔周围的板料变形量很小；而使用同等动能大弹丸低速撞击金属板料时，会在板料撞击接触处产生较大的变形量，同时其撞击接触处周围也会产生明显的变形。同理，采用较小直径的冲击杆高速撞击板料，同时控制冲击杆的行程，这样只会在板料撞击接触处产生一定的变形量，冲击接触区域外围的板料变形量很小。这种冲击变形状态正是板料冲击成形所需要的变形形式，板料冲击成形时，板料的变形越是局部化，越能够精确的控制板料的变形量，从而实现板料的精确成形。为了实现板料冲击变形的局部化，精确的控制板料的变形，就要研究在不同冲击速度与冲击动能状态下的板料变形形态。这样就可以根据不同的材料力学性能与板料厚度选择合适的冲击速度与冲击动能，实现板料的精确成形。（3）冲击动能与板料冲击变形量的关系为了实现板料的精确成形，不仅要考虑板料冲击变形的形态，更要精确的分析冲击变形量。冲击动能越大，板料的变形量越大，这是很明了的原理。但是板料的变形量与冲击动能的关系是如何量化表达正是本课题的研究关键点。课题将通过理论分析建立板料的变形量与冲击速度、冲击能的关系模型，并通过有限元模拟分析与实际试验结果对其加以验证。这种关系模型对板料冲击成形技术的开发具有明确的指导价值，也为其它板料的撞击变形分析提供一种分析方法。（4）板料渐进冲击成形路径的规划与新型的曲面板料的几何表达方法板料冲击成形是一种渐进成形过程，曲面板件是由板料多次变形而成，这样需要的冲击力与冲击能就不是很大，同时多次冲击成形也可以提升板料的成形能力，减少板料在成形过程中的起皱与破裂。当然针对不同形状的板件其渐进冲击成形的路径有所不同，其中要考虑成形精度的控制、加工效率与板料的变形能力。规划渐进成形路径的目的是使板料受力均衡，变形均匀，成形质量好，加工效率高。曲面板件是由板料多次冲击变形而成，为了描述板料在渐变过程中的中间曲面板料的几何形状，分析板料局部冲击变形与整体变形的关系，优化渐进成形路径，也为了给数控自动编程系统提供板料形体数据，必须建立一种灵活、高效的三维曲面几何描述方式。根据板料渐进冲击变形的特点，该三维曲面几何描述方式必须具有灵活的曲面构造能力，具备良好的局部可控性，能将局部描述小曲面光顺地拼接为整体描述曲面，并能将曲面描述特征点与板料渐进成形路径的控制点融合。结合现有文献与板料渐进冲击成形的特点，拟建立一种新型的三次过点B样条曲线，描述板料成形曲面。（5）板料渐进冲压成形的试验性研究关于板料冲击成形的文献很少，可以借鉴的理论知识与试验数据不多，正是如此，板料冲击成形的试验研究就显得极其重要，通过试验可以感知板料冲击变形的基本特征，获得一些有效的数据，再将试验结果与理论分析相结合，方可以得到板料冲击变形的基本规律。（a）渐进冲击成形试验装置的构建渐进冲击成形试验装置的研制主要考虑三个问题：①冲击成形试验装置的整体构架；②冲击器结构与冲击能的施加方式；③板料背面可压缩弹性材料及其布置形式。冲击成形试验装置必须包括板料安装工作平台、冲击器及其固定机构、冲击动能发生装置、多轴联动的数控平台及其控制系统。冲击器结构与冲击能的施加方式，可以使用气缸式驱动方式，也可以使用线圈磁力驱动方式或机械往复运动机构方式；鉴于目前的技术条件，为了保证冲击杆的高频、高速运动，暂考虑气缸式驱动方式。将高频运动气缸与数字高频率采样传感器结合构建冲击成形试验装置。板料冲击成形时，为了减少板料的冲击振动、提高板料成形精度，板料背面需要放置可压缩弹性材料，可压缩弹性材料可以是泡沫塑料板或充气橡胶小球体等，该弹性体的材料力学特性对板料的变形状态与变形量有一定的影响，这需要在理论分析的基础上根据实际试验结果确定板料背面可压缩弹性材料与布置形式。（b）测试冲击速度、冲击能与板料变形的关系试验主要是通过设定不同的冲击速度、冲击能，实施金属板料单次冲击变形，测量板料变形量与变形形态。通过试验分析单次冲击时冲击速度、冲击能与板料变形的关系，分析材料的应力应变特征与材料的应力应变本构模型，建立板料冲击变形量计算式。（c）板料冲击成形的试验通过板料冲击成形试验，将计算机三维造型技术、数控编程技术与冲击成形技术融合，对板料实施不同的冲击变形路径与不同的冲击成形工艺参数（如：冲击杆直径的选择、进给速度、分层数、冲击频率等），根据试验结果优化各种工艺参数，规划板料渐进冲击变形的变形路径。项目的研究目标：本课题的研究目的是探索金属板料的冲击变形力学机理，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，分析高速冲击下的板料变形形态，确定冲击动能与板料冲击变形量的关系，优化板料渐进成形路径，构建板料渐进冲击成形试验平台，实施板料渐进冲击成形试验，提升板料的成形能力，探索高韧性板料的冲击成形方法，为板料渐进冲击成形技术的开发与应用奠定理论基础，开发一种新型的、高效的板料柔性成形方法，也为高韧性板料的精确成形提供一种途径。课题的研究结果也为军工产品、车辆、船舶、飞行器等装备的板料防护与破损研究提供一种分析方法。拟解决的关键科学问题：(1)板料在双向拉伸高应变率下的应力应变本构模型板料高速冲击变形是一种高应变率变形，变形区域板料通常受双向拉伸作用，在这种状态下材料的应力应变关系与低应变率下的应力应变关系会有所不同，金属材料的变形主要体现为材料晶格的滑移，由于材料晶格的滑移也是有时间域的，这样会产生材料变形的迟滞性，这种迟滞性会改变材料的本构模型；不同的应变率会影响材料的本构模型。课题重点是探索板料在双向拉伸高应变率下的应力应变本构模型，分析在高应变率下的板料冲击变形特征与变形能力。(2)高速冲击下的板料变形形态初步的分析表明：冲击速度越高，板料的变形越是局部化，冲击力对冲击接触区域外围的板料变形影响越小；另外，高应变率变形可以提升板料的成形能力，高速变形时材料惯性的影响将会增大，材料受力变形更加均衡，不易产生缩颈，材料的变形能力会有所提升。不同的冲击速度与冲击动能可以产生不同的板料变形形态。研究冲击作用下板料的变形形态、受力状态及冲击变形量，将为渐进冲击成形技术的研发打下理论基础。特别是在高速冲击作用下，研究板料的变形特性，为进一步提升板料的成形能力提供一种有效的途径，同时也为部分难加工材料的高速冲击成形提供一种成形方法。(3)基于空间离散点的渐变曲面表达方式根据板料渐进冲击变形的特点，渐进冲击成形是局部冲击变形与整体冲击变形相结合，该板料的三维曲面几何描述方式必须具有灵活的曲面造型能力，具备良好的局部可控性。板料是渐进冲击成形的，板料中间冲击成形面与最终的成形面之间也存在一种几何关系，为了便于分析中间渐变成形面与最终的成形面的关系，以及局部冲击小曲面与中间成形面的关系，必须寻找一种相应的曲面几何表达方式。课题拟将冲击成形渐变曲面离散为若干个空间关联点，基于双三次过点B样条曲面表达方式连接关联点，通过控制各个空间点的位置变化，来规划板料的渐进冲击成形路径，并能将曲面描述特征点与板料渐进成形路径的控制点融合，同时实现局部冲击曲面与整体曲面的光滑拼接，实现对不断变化曲面的实时描述。拟采取的研究方案及可行性分析板料渐进冲击成形技术具有明显的创新性，其是将冲击动能转化为板料变形能，通过分层渐进冲击变形形成板料成形大曲面，其具有板料成形速度快、可控性强、板料成形质量好等特点。板料在双向拉伸高应变率下的应力板料在双向拉伸高应变率下的应力应变本构模型高速冲击下的板料变形形态板料冲击变形受力分析冲击速度及动能与变形量关系渐进冲击成形试验装置研制板料渐变曲面的几何表达方式渐进冲击成形路径的规划测试与分析单次冲击时冲击速度、冲击能与板料变形形态及变形量的关系测试与分析不同的冲击变形路径与板料成形能力与成形精度的关系图7板料渐进冲击成形力学机理及其关键技术研究的技术路线板料渐进冲击成形力学机理及其关键技术研究的技术路线如图7所示。本课题的研究思路是首先研究板料在双向拉伸高应变率下的应力应变本构模型，同时分析冲击速度、冲击能与板料变形量的关系，在此基础上，分析冲击时的板料受力状态与板料变形特征，规划板料渐进冲击成形路径，研制渐进冲击成形试验装置，并实施试验性研究，测试并分析冲击速度、冲击能与板料变形的关系，测试并分析不同的冲击成形路径对板料成形能力与成形效率与精度的关系。课题重点是围绕板料渐进冲击成形力学机理进行研究，探索金属板料冲击变形的受力与变形状态。研究方法是理论分析与试验研究相结合，同时结合数字模拟技术与有限元分析方法，揭示板料冲击变形的力学机理与板料渐进冲击成形的规律。（1）冲击荷载作用下金属板料应力应变本构模型研究方法金属板料在高应变率作用下，一方面由于材料晶格的滑移是有时间域的，这样带来材料变形的迟滞性，这种迟滞性对于绝大多数材料会提升其屈服应力；同时由于高速变形时材料惯性的影响增大，板料受力更加均衡，不易产生缩颈，材料的变形能力会有所提升。当然这种分析结果需要通过试验与深入的理论分析加以验证。课题拟以Johnson-Cook本构模型为基础，在理论分析的基础上进行试验研究。在Johnson-Cook本构模型的基础上，考虑到板料冲击变形是双向拉伸变形，绝大多数金属板料具有双向拉伸强化效应，初步的本构模型为：--待定参数，由实验确定；--流动应力；--等效塑性应变；--无量纲的相对等效塑性应变率（考虑到双向应变率的比值）；--无量纲的双向应变比，--是与材料相关的双向拉伸强化效应系数。这种本构模型不仅可以反映单向高应变率拉伸时的板料应力应变关系，同时可以反映板料双向高应变率拉伸时的材料应力应变关系。该本构模型只是初步设想，要得到理想的板料应力应变本构模型还需要进行深入的理论分析与广泛的试验性研究。图8板料冲击变形应力应变测试装置示意图试验板料拟使用常见的冲压板料奥氏体不锈钢板（0Cr18Ni9）、冷轧钢板（ST14）为实验对象，分析板料双向高应变率拉伸时的材料应力应变关系。已有的文献对奥氏体不锈钢与冷轧钢材的双向高应变率拉伸的研究很少，但是这两类板材是工程中常用冲压件，在汽车覆盖件、飞行器的蒙皮、风力发电机组的外罩等有广泛的应用。在对不锈钢板、冷轧钢板冲击成形分析的基础上再进行钛合金板的冲击成形试验，探索难成形材料的冲击成形方法。图8板料冲击变形应力应变测试装置示意图拟构建的板料冲击变形应力应变测试装置如图8所示，高压气缸驱动冲击杆对板料实施冲击，使板料产生变形。改变气缸气源压力与冲击行程可以调节冲击杆的冲击速度与冲击动能，使板料应变率发生变化，冲击速度在30~200m/s的亚弹速范围；改变冲击杆杆端直径（大约在Φ6~Φ20）与杆端球面半径可以调节冲击杆球面与板面的接触面积，使板料受力状态产生变化。在冲击过程中设置于冲击杆内部的高频压力传感器（扩散硅型）测量压力，同时位置与速度传感器获取冲击头的冲击速度与位置，板料下方的应变片在板料变形时测量板料动态应变值。各种传感器信号经过处理实现数字化采集，可以获得板料在不同应变率下双向拉伸的应力应变本构模型。分析这些数据也可以获得不同冲击速度、冲击能作用下，板料的变形量与变形状态，同时分析板料变形区域的动力学特性。（2）板料冲击变形形态与冲击变形量的分析方法(a)(b)图9板料冲击变形形态初步的分析表明：冲击速度越高，板料的变形越是局部化，冲击力对冲击接触区域外围的板料变形影响越小。这种冲击变形状态正是板料冲击成形所需要的变形形式，板料的变形越是局部化，越能够精确地控制板料的变形量，从而实现板料的精确成形。如图9(a)所示，冲击速度不足时，杆头接触区域外围板料会产生少量拉深变形；如图9(b)所示，冲击速度足够高时，杆头接触区域大，冲击变形以胀形为主。冲击速度越高，板料的变形形状越接近杆头形状，高速冲击时的板料局部变形特征更近似于板料的胀形特征(a)(b)图9板料冲击变形形态可以根据能量法理论分析板料冲击变形形态与变形量，同时结合板料的冲击试验结果分析冲击区域的板料受力状态与变形形态及变形量。另外可以利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟分析冲击荷载作用下金属板料的变形过程，分析板料的动力响应过程与最终变形量。同时通过冲击测试装置，测量板料的变形量与应变值，结合能量法理论分析方法，确定冲击速度、冲击能、弹性支承参数与板料变形的关系。（3）板料渐进成形路径规划与渐变曲面几何描述方法结合冲击变形的特点拟采用等高几何分层或等变形梯度几何分层方式规划中间成形面。冲击成形路径最简单的设计是等高分层路径，也可以采用等变形梯度分层路径，其各有特点。如图10(a)所示，等高分层几何路径，易于设计与编程，可以直接借用现有的数控编程系统设计加工程序，但是板料变形精度不易控制，为了保证板料成形精度需要将冲击过程分为粗冲击成形与精冲击成形两个过程。如图10(b)所示的等变形梯度分层几何路径，板料整体成形过程逐渐接近最终成型面，板料成形精度易于控制，但数控自动编程系统需要自行研发。(a)等高分层(b)等变形梯度分层图10板料冲击成形路径的规划在规划板料渐进冲击成形路径与分析板料中间成形面方面，可以通过转化板件三维曲面模型的表达方式，将三维曲面模型离散为若干个相互关联的空间点，点与点之间拟采用三次过点B样条曲线连接，构建双三次过点B样条曲面，通过改变曲面空间离散点的坐标值，就可以方便的实现渐进冲击成形渐变曲面的表达。这样就可以将样条曲面的特征点与曲面板料的成形路径的控制点统一，减少计算量，也有利于规划板料渐进成形路径。三次过点B样条曲线是对传统三次B样条曲线的改进形式。传统B样条曲线或NURBS曲线不具有插值（过点）功能，图11中虚线表示的曲线就是传统三次B样条曲线，传统的方法是反算样条曲线特征点，这种方法需解大型线性方程，计算量大，不利于实际应用曲线曲面造型，也不利于渐变曲面的描述。图11三次过点B样条曲线三次过点B样条曲线的研究思路：就是构造一组基函数来构造插值曲线，所构造的样条参数曲线具有局部性、保形性和可调控性。如图11所示，给定一组点列，任意相邻4点（p0、p1、p2、p3）构造一段参数曲线，其起始点和终止点是中间两点（p1、p2）。起始点一阶导矢方向与第一点(p0)与第三点(p2)间的向量一致，终止点一阶导矢方向与第二点(p1)与第四点(p3)之间的向量一致。这样得到的三次样条曲线(图中实线曲线)具有两个重要性质，即插值性和C1连续性。双三次过点样条曲面是三次过点样条曲线的张量积扩展，因此双三次过点B样条曲面与样条曲线具有相似性质：C1连续性、局部性、插值(过点)性。（4）板料渐进冲击成形工艺板料成形时，冲击头产生的冲击力必须大于材料的动态屈服强度，为此必须控制冲击力大小和选择合理的冲头尺寸与形状。一层冲击成形的深度不是很大，当板料成形深度较大时，就必须采用多次冲击，板料渐进冲击成形的工艺过程如图12所示。图12板料渐进冲击成形的工艺流程板料装夹后，调整气缸压力与冲击杆直径，进行分层垂直冲击，冲击杆是边移动边冲击，由于冲击杆是高频连续冲击，冲击杆与板料的冲击接触点可以认为是连续的，这样冲击变形后的板料表面基本看不见冲击凹坑；为了保证板料最终成形精度，分层粗冲后留有适当的冲击变形余量由精冲完成；板料精冲成形时，为了精确控制冲击点的变形量，冲击杆不仅要移动，还需要有X轴与Y轴摆动运动，以保证冲击杆中轴线与冲击点的板面垂直。其工作原理如图13所示。图13(a)采用分层粗冲成形板料；图13(b)是沿最终成型面精冲成形。(a)分层粗冲成形(b)沿最终成型面精冲成形图13板料渐进冲击成形工艺（5）板料渐进冲击成形试验装置的研制与试验方案把高频冲击器装夹在立式数控铣床主轴架上，可通过数控系统控制冲击杆和板料的相对运动，实现对板料可控位置的冲击成形。高频冲击具有较好的成形柔性，当工件的形状改变时，只要改变冲击轨迹，就能实现板料的冲击成形。由于数控系统可控性好，可以在冲击区域的任何点进行冲击，另外，只要使冲击器实现数控摆动，就可以实现内鼓形板件的冲击成形。冲击器采用高频冲击气缸，驱动冲击杆高频、高速往复运动。其运动原理类似于风镐的运动原理，就是将风镐小型化，同时提高往复频率。冲击器的移动与摆动、以及板料安装平台运动控制采用数控技术实现，由于控制对象多，采用常见的机床数控系统很难实施，目前拟采用运动控制卡控制冲击器支撑架的Z方向移动、摆动以及板料固定平台的X/Y方向移动，实现数控5轴联动，在分析板料成形面数据的基础上，实现计算机自动编程，控制系统的各种运动。板料渐进冲击成形试验方案：（a）通过改变气缸气压与冲击行程，调整冲击杆的冲击速度与冲击动能，同时检测冲击速度、气缸压力，建立气缸压力、冲击行程与冲击速度的关系。（b）冲击杆使用不同的冲击速度与冲击行程，对金属板料实施高速冲击，检测板料的各点变形量与变形速率，建立冲击速度、冲击动能与板料变形量的关系，分析板料高应变率变形特征；在分析普通金属板料冲击变形试验的基础上，进行钛合金板料的冲击成形试验。板料在冲击成形前在其表面绘制网格线或圆形图案，冲击变形后使用三维扫描器进行曲面扫描与测量，分析板料各点的变形量与变形方向，为研究板料的冲击变形规律提供依据。（c）实施板料渐进冲击成形试验，编制系统控制软件，采用不同的变形路径实施板料的冲击成形试验。以上对本课题的研究方案进行了初步阐述，虽然在板料冲击成形理论与技术方面可以借鉴的资料很少，其涉及的知识面也比较广，但是本课题研究的思路与方案已比较明确，课题研究中涉及的几个关键技术问题已有初步的解决方法。在近几年的科学研究与技术开发过程中，本课题组人员对板料塑性成形理论与板料冲压成形的可重构模具技术等方面进行了深入地研究，完成了江苏省高校科研计划项目“杆系柔性模具及板料冲压工艺”、江苏省自然科学基金项目“多点压板成形力学机理及其关键技术”，提出了“多点压板成形”冲压工艺的理论与方法，并研制了相关的试验装置。这些项目与本课题有较多的相关性，其中涉及到的一些板料冲压成形理论与技术为本课题的研究打下了良好的基础。另外课题组已研究与开发的江苏省科技攻关计划项目“汽轮机叶片数控砂带磨削加工技术与装备”、扬州大学重点学科发展项目“弧齿圆柱齿轮的啮合理论及其加工方法”也取得了良好的结果。这些课题的研究与开发也为本课题的研究奠定了良好的技术基础，特别是在数控技术、曲面分析技术、CAD/CAM技术等方面为本课题的研究提供了技术保障。课题组人员对板料渐进冲击成形理论与技术的研究充满希望与信心，板料渐进冲击成形方式作为一种新型的板料塑性成形方法，其具有明显的优点，希望通过对本课题的研究，获得理想的研究结果，在板料塑性成形理论与技术领域做出一点贡献，同时为板料渐进冲击成形技术的开发与应用打下良好的基础。本项目的特色与创新之处。课题首次提出金属板料渐进冲击成形方式，其具有明显的创新性，将冲击动能转化为板料变形能，采用较小的驱动力就可以使金属板料渐进成形，使平面板料分层渐进成形为理想曲面，其具有成形速度快、可控性强、灵活性好等特点。渐进冲击成形方式是一种曲面板料的柔性成形技术，板料冲击成形时基本不需要定制其它模板或支撑机构，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，实现真正的板料无模成形。渐进冲击成形具有广泛的适应性，既可以成形单凹曲面，也可以成形凸凹曲面，还可以成形内鼓形曲面。该冲击成形方式可以使板料实现可控的高应变率变形，其可以提升板料的成形能力，对高韧性板料精确成形也能发挥一定作用。本课题的创新点：(1)课题首次提出板料渐进冲击成形方式,采用冲击动能使平面板料渐进成形为理想的曲面，其具有板料成形速度快、可控性强、灵活性好等特点。(2)板料高速冲击变形是一种高应变率变形，课题结合板料的冲击变形，研究板料在双向拉伸高应变率下的应力应变本构模型，为板料在高应变率下的塑性成形提供一些理论基础，也为提升板料的塑性成形能力提出一种思路。(3)分析在高速冲击作用下板料的受力状态与变形形态，分析冲击速度、冲击能、板料支撑状态与板料变形量及变形状态的关系，为渐进冲击成形技术的研发打下基础，为板料冲击变形的其它相关应用提供一些理论基础。(4)基于双三次过点B样条曲面表达方式分析板料渐进冲击成形的渐变曲面，规划板料变形路径。其具有灵活的曲面构造能力，良好的局部可控性，通过改变样条曲线控制点的坐标值，就可以方便的实现渐进冲击成形曲面的规划以及对板料渐变成形面的几何描述。在课题研究过程中还将涉及其他几个方面，如：板件曲面模型数据的提取与分析，数控运动路径与数控程序自动生成方法，板料渐进冲击成形的规划原理，板料在冲击过程中的动态特征，冲击试验机构的研制等内容，其中也包含一些创新原理与创新技术，这些创新点将在以后的课题研究中不断挖掘。年度研究计划及预期研究结果。（包括拟组织的重要学术交流活动、国际合作与交流计划等）年度研究计划：2012.1~2012.12年度研究计划：分析金属板料在高速冲击作用下，高应变率对材料应力应变本构模型的影响，基于弹塑性力学理论研究冲击速度、冲击能与板料变形量的关系。构建板料冲击变形应力应变测试装置，实施板料高速冲击变形试验，在试验的基础上，分析板料的应力应变特点，同时使用数值模拟分析系统对板料冲击变形进行数值模拟分析，优化材料的本构模型，建立板料冲击变形量计算式。参加塑性成形技术会议，提交相关研究论文。2013.1~2013.12年度研究计划：研究板料渐进成形中间渐变曲面的几何表达方式，使用双三次过点B样条描述不断变化的曲面，规划板料渐进冲击成形路径；同时采用双三次过点B样条分析冲击成形的运动路线，基于平滑的运动控制策略，开发渐进冲击成形控制系统与自动数控编程软件。参加相关领域国际会议，申请国家专利。2014.1~2014.12年度研究计划：构建板料渐进冲击成形试验装置，进行板料冲击成形试验，在试验的基础上，分析冲击时的板料受力状态与变形特征，确定冲击速度、冲击能、板料背面支撑状态及压板形式与板料变形量及变形状态的关系；优化板料冲击成形路径，分析板料渐进冲击成形工艺。参加相关领域国际会议，申请国家专利。2015.1~2015.12年度研究计划：改进板料渐进冲击成形试验装置，建立5轴联动的运动控制方式，探索复杂曲面的冲击成形方法；研究钛合金板料的冲击成形特点，探索高韧性板料的冲击成形途径。总结板料渐进冲击成形理论与技术研究结果，进一步优化试验装置，为板料渐进冲击成形技术的应用提供理论基础。总结研究成果，提出应用设想。预期研究结果：(1)揭示板料冲击变形力学机理，建立板料冲击变形应力应变测试装置，得到金属板料渐进冲击成形的变形特征与成形规律。(2)掌握“板料渐进冲击成形”的相关技术，构建“板料渐进冲击成形试验装置”。(3)结合“板料渐进冲击成形试验装置”及其加工工艺，开发出相关的控制系统与自动数控编程软件。(4)在国内外相关权威期刊发表4篇以上论文，发表相关论文5～6篇。(5)申请专利3～4项，授权1～2项。(6)结合项目培养研究生3～4名。(7)总结研究成果，提供一套相关的理论分析与技术应用方案。（二）研究基础与工作条件1、工作基础（与本项目相关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩）图14杆系柔性成形模具本课题涉及材料力学、冲压工艺、塑性成形技术、CAD/CAM技术、数控系统及检测技术等多个研究领域，属于涵盖材料成形、信息技术、数控技术和机械设计与制造等多学科交叉的综合性研究课题。项目申请者和主要成员均从事过多项研究工作，具有丰富的实践经验和深厚宽广的基础理论知识，近几年来一直从事板料塑性成形理论、可重构冲压模具、数控技术、测试技术的研究，已经在机械设计、机械制造、CAD/CAM技术、板料冲压成形技术、板料塑性成形理论等方面取得了多项成果，研制出了用于试验的杆系柔性成形模具、多点压板成形装置及其控制系统，已完成的江苏省科研基金项目“多点压板成形力学机理及其关键技术”，并在板料冲压成形机理上取得了显著成果；已完成的江苏省高校科研基金项目“杆系柔性模具及板料冲压工艺图14杆系柔性成形模具在“多点压板成形技术”方面，提出了“多点压板成形”工艺，采用板面弹性压板力提高板料受压失稳临界应力，提升板料的成形能力；研制了可快速重构的“杆系柔性模具”（如图14所示），实施了多种形状板件的直接冲压成形（如图15所示），图15(c)所示的“马鞍形板件”可以一次冲压成形，不需要设置附加的工艺压料面。(a)球面成形件(b)半球面板件(c)马鞍形板件图15使用杆系柔性成形模具直接冲压成形的板件1.Z向移动台2.冲击气缸3.冲击杆4.压边装置5.板料图16高频冲击试验装置在“板料冲击成形”研究方面，也实施了初步的试探性研究，如图16所示的1.Z向移动台2.冲击气缸3.冲击杆4.压边装置5.板料图16高频冲击试验装置如图16所示的板料冲击成形试件（球面形状），根据试件可以认为“采用高频冲击杆有序地冲击板料，可以实现板料的成形”，但为了实现板料的精确与高效成形必须在这几个方面进行深入的研究：①冲击变形形态与变形量与冲击速度、冲击动能、板料支撑状态的关系；②板料的高应变率变形下的应力应变本构模型；③板料的渐进冲击变形路径与渐变曲面的描述方法等。这些也正是本课题的研究内容。另外在CAD/CAM技术与数控技术等方面，也具备丰富的实践经验和深厚的基础理论知识。已研究与开发的江苏省科技攻关计划项目“汽轮机叶片数控砂带磨削加工技术与装备”、扬州大学重点学科发展项目“弧齿圆柱齿轮的啮合理论及其加工方法”也取得了良好的研究结果。项目课题组成员是从事多个学科研究的组合，已经在板料冲压成形理论与技术、可重构冲压模具、先进制造理论与装备等方面有丰富的研究工作积累，并取得了较多的研究工作成果。同时在机械设计与制造、CAD/CAE/CAM技术、数控技术方面，具备扎实的理论基础和丰富的实际研究经验，完全有能力完成该项目的研究。2、工作条件（包括已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的途径，包括利用国家实验室、国家重点实验室和部门重点实验室等研究基地的计划与落实情况）实验室已有的与本课题相关仪器设备与软件系统：（1）多种压力成形设备（2）多点压板成形装置及其控制系统（3）快速原型制造系统（4）材料应力应变测试系统（5）大功率数控激光切割机（6）三坐标测量设备（7）多种CAD/CAE/CAM软件（8）多种数控机床目前不缺少相关的仪器设备。正在研制的板料冲击成形试验装置是使用数控铣床进行改进，卸去铣床主轴头，添加高压气体驱动的小型气缸冲击杆及其控制装置，目前已可以进行初步的板料冲击成形试验，系统控制由计算机通过多轴运动控制卡实现。本课题将依托本学院的模具技术实验室、数控技术实验室、CAD/CAM技术实验室、材料力学实验室的相关设备与仪器进行试验性研究。在试验与分析过程中，相关的测试装置、分析软件都已具备。本课题研究条件已具备。3、申请人简介（包括申请人和项目组主要参与者的学历和研究工作简历，近期已发表与本项目有关的主要论著目录和获得学术奖励情况及在本项目中承担的任务。论著目录要求详细列出所有作者、论著题目、期刊名或出版社名、年、卷（期）、起止页码等；奖励情况也须详细列出全部受奖人员、奖励名称等级、授奖年等）项目负责人：宋爱平:男，副教授，博士。扬州大学机械工程学院副教授，扬州大学“跨世纪”中青年学术带头人。2003年开始从事“数控螺杆磨床”研制，该成果已产业化，获机械工业科学技术三等奖;主持扬