高温合金精铸空心叶片充型及热应力有限元分析

摘要

本文选用以K488合金为材料制造的涡轮空心叶片为研究对象，研究了叶片在充型以及凝固过程中温度场的变化，同时对应力和变形进行了模拟，并且优化了工艺，且对叶片进行了实际的浇注，验证了模拟结果。
　　本文利用UG对空心叶片进行造型，探讨了网格划分软件GeoMESH与UG之间的接口方式，并选择.igs格式的文件作为GeoMESH的接口，并且寻找出了一种方法可以对复杂的铸件进行网格划分，且对比了GeoMESH以及MeshCAST在面网格处理的特点，最终发现GeoMESH比MeshCAST在面网格处理上更有优势，且能在MeshCAST中顺利生成体网格，最终的网格满足使用要求。
　　利用ProCAST软件研究了不同的浇注工艺对铸件质量的影响，结果表明当降低浇注速度，提高浇注温度以及型壳、型芯的预热温度，可以降低缩孔、缩松的含量。当浇注速度降低为2kg/s，型壳、型芯的预热温度提高到1100℃，金属液的浇注温度为1480℃时获得的铸件无缩孔、缩松，并且对这一工艺下铸件的温度场以及型芯的温度场进行了模拟，从输出的温度随时间的变化曲线上可以看出叶片排气边温度下降的最快，其次是进气边、叶背处最后为叶盆处，而且型芯靠近榫头交叉网格处承受的温度最高。
　　研究了不同的工艺对铸件各部位冷却速率以及叶身位移的影响，结果表明：提高型壳、型芯的预热温度，或者在铸件外面增加保温毡可以降低铸件各部位之间的温度差，同时也可以降低叶身变形。对比叶身横向截面在X方向的位移，我们可以发现叶身中部的位移量最低，叶盆部、进气边的位移量低于叶背部以排进气边的位移量。
　　经过型芯、蜡模的制备，然后进行制壳、脱蜡、型壳的烧结等一系列工艺之后，将K488合金在真空熔炼炉中进行真空熔炼，然后将获得的的金属液在前面通过计算机模拟所得到的最优工艺下进行浇注实验，最终将得到的叶片经过检测，发现制备出的空心叶片满足使用要求。

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第1章 绪论

1.1本文研究背景及意义

1.2高温合金的发展

1.3铸造过程数值模拟发展概况

1.4数值模拟应力的计算模型简介

1.5研究内容

第2章 铸造过程数学模型及前处理

2.1引言

2.2铸件充型凝固过程数学模型

2.3应力与变形数值模拟的热弹塑性模型

2.4铸件凝固过程中缩松数值模拟的数理模型

2.5涡轮叶片数值模拟前处理

2.6 本章小结

第3章 铸件充型凝固的有限元分析

3.1引言

3.2铸件充型过程中速度场的分布

3.3铸件充型及凝固过程温度场的分布

3.4充型及凝固过程叶片截面温度场的分布

3.5型芯温度场的分布

3.6缺陷的预测及工艺的优化

3.7本章小结

第4章 叶片热应力及变形的有限元分析

4.1引言

4.2应力场的模拟及分析

4.3叶片变形模拟及分析

4.4不同工艺条件下叶片残余应力与变形预测

4.5本章小结

第5章 数值模拟在空心叶片制备中的应用

5.1引言

5.2浇注实验

5.3本章小结

结论

参考文献

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