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数值模拟技术在燃气轮机零部件锻造及热处理过程中的应用

作　者: 吕成
导　师: 张立文
学　校: 大连理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 锻造热处理数值模拟工艺优化
分类号: TG162.7
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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引　用: 6次
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内容摘要

随着现代科学技术的发展，对机械零件性能和可靠性的要求越来越高。而锻造和热处理作为重要的材料固态热加工工艺，对零件的性能起着至关重要的作用。由于锻造和热处理工艺自身的复杂性，长期以来，对锻造和热处理过程的研究主要是建立在实验和经验公式基础上。对于复杂的工艺和模具设计，往往需要多次反复实验，甚至返工和报废，这样无疑要造成产品成本的增加和生产周期的延长。随着有限元方法的改进和计算机软硬件的飞速发展，数值模拟的精度和效率大大提高，使得有限元法成为研究锻造和热处理过程的重要手段。通过对锻造和热处理过程进行数值模拟分析，可以得到工件内部的应力应变场和温度场的分布规律，预测成形过程中可能出现的缺陷，从而可以为设计者进行工艺分析提供科学依据，优化工艺设计。本文采用有限元数值模拟的方法对重型燃机和航空发动机中某些零部件的锻造及热处理过程进行了研究，获得了各种场量的分布规律，预测了成形过程中的缺陷，并且在此基础上对工艺参数进行了优化。主要研究内容和结论如下：采用热力耦合刚粘塑性有限元法，对某重型燃机叶片的多工步锻造全过程进行了三维数值模拟分析。通过有限元数值模拟，分析了叶片成形过程中的金属流动规律，得到了锻造过程中坯料内部的温度场、应力应变场等热力参数的场量分布以及载荷随时间的变化曲线。在对数值模拟结果进行比较分析的基础上，本文给出了一种优化的锻造工艺方案。结果表明，优化工艺条件下锻件内的温度场、应变场以及锻造载荷符合技术要求。锻造工艺试验验证了优化工艺方案的可行性，并且在生产中得到了成功应用。建立了压气机叶片冷辊轧过程三维有限元模拟的力学模型，对压气机叶片冷辊轧过程中的温度场、应力应变场进行了数值模拟，并且获得了辊轧过程中的辊锻力、辊锻力矩以及轴向力变化曲线。对变形过程中产生前滑、侧弯以及临界变形的机理进行了研究，同时模拟了不同毛坯设计准则对成形过程的影响，为压气机叶片冷辊轧过程毛坯和轧模的优化设计提供了理论依据。采用有限元数值模拟的方法，在计算机上虚拟实现了某TC4钛合金安装座的锻造过程，通过对锻造过程中锻件的充型情况以及应力场和损伤值的分析，对锻造缺陷产生的机理进行了研究。在此基础上对模具尺寸进行优化，给出了一种最优的型腔深度。锻造工艺试验验证了优化方案的可行性，并且在实际生产中锻造出合格产品。考虑了锻锤加载方式对金属变形抗力的影响，采用有限元法模拟了TC6钛合金卡环的锤锻过程，并且对锤锻过程中模具的受力进行了分析，给出了锻造过程中金属的流动规律、锻造载荷以及模具的应力分布。在此基础上对模具型腔进行优化，给出了一种优化的设计方案，大大降低了锻造载荷以及模具的应力分布，为TC6钛合金卡环锤锻过程模具的优化设计提供了理论依据。目前，优化后的模具已经成功应用于实际生产中。采用通用有限元软件MSC.Marc结合用户自定义子程序对某重型燃机压气机盘的淬火过程进行了研究，计算中同时考虑了组织转变对温度场和应力场的影响，并且在确定非线性热物性参数和界面换热系数方面进行了相关的实验。计算给出了压气机盘在不同淬火介质中淬火时的温度场、组织场和应力场分布，并在此基础上提出了空冷的淬火工艺方案。空冷试验验证了工艺方案的可行性，已成功应用于实际生产中。该研究对于控制和改进重型燃机压气机盘热处理工艺具有一定的指导意义。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-23
  1.1 引言  11-12
  1.2 国内外研究状况及综合评述  12-21
    1.2.1 金属塑性成形过程的研究方法  12-15
    1.2.2 金属塑性成形过程数值模拟研究进展  15-19
    1.2.3 金属热处理过程数值模拟研究进展  19-21
  1.3 课题研究的背景及意义  21-22
  1.4 本文的主要研究内容  22-23
2 锻造及热处理过程数值模拟的基本理论  23-43
  2.1 引言  23
  2.2 刚塑性/刚粘塑性有限元法  23-30
    2.2.1 刚塑性/刚粘塑性有限元基本方程  23-24
    2.2.2 刚塑性/刚粘塑性有限元变分原理  24-25
    2.2.3 三维刚塑性/刚粘塑性有限元求解列式  25-30
  2.3 塑性成形过程中的传热问题  30-34
    2.3.1 传热学基本方程  30-32
    2.3.2 热传导问题的变分原理  32
    2.3.3 热传导问题的有限元求解列式  32-34
  2.4 热弹塑性问题的有限元法  34-40
    2.4.1 热弹性问题  34-35
    2.4.2 热弹塑性问题  35-40
  2.5 热处理过程的组织场计算  40-42
    2.5.1 等温转变动力学模型  40-41
    2.5.2 Scheil叠加法则  41
    2.5.3 模拟计算步骤  41-42
  2.6 本章小结  42-43
3 重型燃机叶片锻造过程的数值模拟与工艺优化  43-72
  3.1 引言  43-44
  3.2 叶片锻件图设计及锻模几何模型的建立  44-52
    3.2.1 叶片锻造平衡角的确定  44-46
    3.2.2 叶身型面余量的加放  46-48
    3.2.3 终锻型槽变形抗力中心的计算  48-50
    3.2.4 锻模几何模型的建立  50-52
  3.3 有限元模型的建立  52-56
    3.3.1 工艺分析与模型建立  52-53
    3.3.2 材料性能参数的测定  53-55
    3.3.3 边界条件的确定  55-56
  3.4 数值模拟结果与分析  56-68
    3.4.1 顶锻数值模拟结果与分析  57-59
    3.4.2 终锻数值模拟结果与分析  59-62
    3.4.3 锻造工艺的优化  62-68
  3.5 叶片锻造过程的试验验证  68-71
    3.5.1 实验设备及模具  68-69
    3.5.2 锻造工艺规程  69-71
    3.5.3 试验结果  71
  3.6 本章小结  71-72
4 压气机叶片冷辊轧成形规律的数值模拟研究  72-91
  4.1 引言  72-73
  4.2 有限元模型的建立  73-74
  4.3 数值模拟结果与分析  74-89
    4.3.1 坯料整体变形与流动分析  74-77
    4.3.2 场变量分布及变化规律分析  77-85
    4.3.3 辊轧过程载荷分析  85-87
    4.3.4 更改毛坯设计原则的模拟计算结果  87-89
  4.4 本章小结  89-91
5 TC4钛合金安装座锻造过程的数值模拟与工艺优化  91-105
  5.1 引言  91
  5.2 有限元模型的建立  91-94
  5.3 数值模拟结果与分析  94-103
    5.3.1 模型一的模拟计算结果  94-98
    5.3.2 模型二的模拟计算结果  98-101
    5.3.3 模型三的模拟计算结果  101-103
  5.4 试验研究  103-104
  5.5 本章小节  104-105
6 TC6钛合金卡环锤锻过程模具优化的数值模拟研究  105-117
  6.1 引言  105
  6.2 工艺分析  105-106
  6.3 有限元模型的建立  106-109
    6.3.1 模拟计算步骤  106-107
    6.3.2 模拟分析条件  107-109
    6.3.3 锻锤加载方式的处理  109
  6.4 数值模拟结果与分析  109-113
  6.5 模具结构的优化  113-116
  6.6 本章小结  116-117
7 压气机盘热处理过程的数值模拟与工艺优化  117-139
  7.1 引言  117-118
  7.2 计算模型的建立  118-128
    7.2.1 相变潜热的处理  118-121
    7.2.2 组织转变对应力计算的影响  121-124
    7.2.3 建模与网格划分  124-125
    7.2.4 非线性物性参数和表面换热系数的确定  125-128
  7.3 数值模拟结果与分析  128-138
    7.3.1 油冷过程的计算结果与分析  128-133
    7.3.2 空冷过程的计算结果与分析  133-138
  7.4 本章小结  138-139
结论  139-141
参考文献  141-149
攻读博士学位期间发表学术论文情况  149-151
致谢  151-152

数值模拟技术在燃气轮机零部件锻造及热处理过程中的应用

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