厚壁大尺寸半球形封头热成形数值模拟与参数优化

摘要

封头是锅炉和压力容器上的重要承压元件,它广泛应用于电力、化工、石油、核能等行业。随着经济的发展,对能源尤其是电力需求的巨大增长,电站用锅炉机组容量由100MW发展到1000MW,锅炉汽包的压力也由3.82MPa发展到27.56MPa。封头的壁厚及尺寸随之趋于大型化,目前,国内外对于大尺寸厚壁半球形封头都采用热成形法进行加工。长期的生产实践中,各企业形成了对封头成形工艺的经验计算方法,但这些方法存在着较大的误差,不能很好地指导实践。本文采用数值模拟的方法,对成形过程进行模拟,对影响封头成形质量的主要工艺参数进行分析与优化。本文首先介绍了国内外对于板料成形的研究进展,以及厚壁封头热成形过程数值模拟的国内研究现状。指出了厚壁封头热成形过程数值模拟的重要意义。本文系统地进行了锅炉用DIWA353钢在再结晶温度以上,不同应变速率条件下的高温热压缩实验。获得了其高温下的真应力-真应变数据。并据此求得了DIWA353钢的热变形激活能,考虑温度及应变速率对其流变应力的影响,建立了高温下稳态流变应力的本构方程。从而为有限元模拟提供了真实的材料性能数据。本文根据弹粘塑性有限元法的基本原理,利用DIWA353钢高温下的本构方程,通过有限元软件ABAQUS6.6-3对直径2000mm,厚度130mm封头的热成形过程进行了有限元模拟。分析了成形过程中的应力、应变、接触力、厚度、温度等的变化;从成形性,贴模性,回弹三方面对封头的成形质量进行了评价,并与真实加工测得的数据进行了对比,与实际情况吻合较好。通过有限元模拟的方法,对影响封头热成形质量的主要工艺参数进行了研究,采用极差分析的方法分析了不同工艺参数对封头减薄率的影响规律。通过方差分析的方法对各个影响因素的显著性进行了评价。在选定参数的变化范围内,摩擦的影响最为显著。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 塑性成形有限元模拟技术的研究进展

1.2.1 塑性成形数值模拟国内外研究进展

1.2.2 封头热成形数值模拟研究现状

1.3 论文主要研究内容

第2章 热粘塑性材料本构方程的确定

2.1 金属高温变形定量研究处理方法

2.2 粘塑性材料本构方程

2.2.1 粘塑性问题的描述

2.2.2 粘塑性本构方程概述

2.3 影响材料本构关系中流变应力的基本因素

2.3.1 温度的影响

2.3.2 应变速率的影响

2.3.3 应变量的影响

2.4 DIWA353 钢的高温压缩实验及本构方程的确定

2.4.1 实验材料及方法

2.4.2 实验结果及分析

2.4.3 粘塑性本构方程的确定

2.5 本章小结

第3章 封头的热成形过程有限元模拟

3.1 热力耦合弹塑性有限变形基本理论

3.1.1 物体运动和变形的Lagrange 描述法

3.1.2 弹塑性大变形的描述方法

3.1.3 塑性成形过程中传热基本理论

3.2 有限元模型的建立及关键问题的处理

3.2.1 有限元模型的建立

3.2.2 边界条件及载荷施加

3.2.3 接触及摩擦的处理

3.3 厚壁封头热成形过程分析

3.3.1 应力分布

3.3.2 应变分布

3.3.3 厚度分布

3.3.4 接触力分布

3.3.5 温度分布

3.4 厚壁封头热成形性能评价

3.4.1 成形缺陷评价

3.4.2 贴模性能评价

3.4.3 定形性能评价

3.5 本章小结

第4章 封头热成形过程工艺参数优化

4.1 基于正交设计方法的工艺参数优化

4.1.1 正交设计法原理

4.1.2 各工艺参数水平的确定

4.2 数值模拟优化分析

4.2.1 实验模拟结果的极差和方差分析

4.2.2 各工艺参数对封头减薄率的影响分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

致谢