大型空心叶片背弧热冲压成形工艺优化及回弹补偿研究

摘要

叶片是汽轮机的核心组成部件，其主要起着能量转换作用，叶片的安全运行对汽轮机的安全运行具有决定性作用。随着大型核电机组轻量化战略的提出，核电汽轮机末级大型长静叶片空心结构开始逐步推广应用，其中，钢板热冲压成形工艺结合焊接装配工艺制造空心叶片具有生产周期短、成本较低以及重量轻等特点，使得该工艺受到全球各大汽轮机制造商成形大型低压空心静叶片的青睐。为了改变国产大型核电汽轮机空心静叶片主要依赖国外核电厂的成熟技术的现状，本文以重庆大学与某汽轮机厂合作开发的热冲压成形某型号大型核电汽轮机空心静叶片背弧为研究对象，利用有限元模拟软件分析热成形叶片背弧时出现的成形质量缺陷，如回弹、厚度不均、减薄等，设计并优化热冲压成形工艺参数，最后通过模面回弹补偿以及生产试制得到了合格的热成形叶片背弧件。基于以上论文主要开展了以下几个方面的研究：
　　①首先对汽轮机叶片成形技术的国内外研究现状进行了介绍；随后分析了叶片背弧的零件结构特点与变形行为，并进行了板料尺寸优化与工艺面补充设计；最后，设计了叶片背弧的工艺成形方案。
　　②基于工厂经验参数建立了叶片背弧热冲压有限元模型，并根据模拟结果重点分析研究了叶片背弧的成形极限图、板料厚度变化情况、成形时的温度场分布以及回弹量变化情况，并针对成形质量较差情况，采用控制变量法，分析了叶片背弧热成形工艺参数：加热温度、摩擦系数、压边力以及保压时间对叶片成形后板料的最小厚度值和最大回弹量的影响规律，确定了每个成形工艺参数合适的取值范围。
　　③将平均回弹量和平均减薄量通过加权处理构造新的目标函数，首先利用中心复合实验设计和归一化实验数据处理，基于响应面法建立了新的目标函数与加热温度、摩擦系数、压边力以及保压时间的二阶响应面回归模型，并分析了模型的显著性与模型精度；然后利用MATLAB中的粒子群优化算法工具箱对模型进行了求解，得到了一组最优的叶片背弧热成形工艺参数组合：加热温度x1=872.44℃、摩擦因数x2=0.30、压边力x3=577.92KN以及保压时间x4=7.75min，并将模拟获得优化结果进行了有限元模拟验证。
　　④研究了优化工艺参数后的 AutoForm数值模拟软件模面回弹补偿和SINOVATION软件的模面回弹补偿。首先根据优化的工艺参数的模拟结果，采用AutoForm软件的回弹补偿模块进行回弹补偿后试模，通过零件检具以及蓝光扫描方法获得了成形后叶片背弧型面的尺寸偏差情况；然后利用SINOVATION软件对扫描结果进行第二次模面补偿，并进行模面的调整加工；最后进行零件试制生产,获得蓝光扫描数据以及检具实测数据都验证了模面回弹补偿的可行性与可靠性。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 汽轮机叶片制造方法国内外研究现状

1.3 回弹控制问题国内外研究现状

1.4 课题来源与研究目的、意义

1.5 课题主要研究内容

2 空心叶片热冲压成形材料性能及有限元理论分析

2.1 材料性能研究

2.2 空心叶片热冲压成形有限元理论分析

3 空心叶片热冲压成形工艺设计及全工序模拟仿真

3.1 空心叶片热冲压工艺分析

3.2 汽轮机空心叶片工序建模及成形性分析

3.3 本章小结

4 工艺参数对空心叶片背弧热冲压成形质量的影响

4.1 加热温度对最小厚度值及最大回弹量的影响

4.2 摩擦系数对最小厚度值及最大回弹量的影响

4.3 压边力对最小厚度值及最大回弹量的影响

4.4 保压时间对最小厚度值及最大回弹量的影响

4.5 本章小结

5 基于响应面的空心叶片热冲压成形工艺多目标优化

5.1 响应面法介绍

5.2 CCD抽样介绍

5.3 变量和目标函数设计

5.4 实验设计与数学建模

5.5 模型参数优化

5.6 优化值模拟验证

5.7 本章小结

6 叶片背弧回弹补偿机制研究

6.1 基于有限元的回弹补偿

6.2 基于蓝光扫描的空心叶片回弹补偿研究

6.3 试模实验研究

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文与专利

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目