基于刚粘塑性有限元模拟的汽轮机叶轮模锻的预成形优化

摘要

大型叶轮是中小型汽轮发电机的重要零件之一。在高温、高压蒸汽介质中高速旋转，承受着巨大的切向应力、径向应力和振动附加应力。因此叶轮整个截面上要求高强度、高韧性以及低的残余应力。
　　 在目前大型叶轮实际生产中，常采用锻造方法。迄今为止，除了俄罗斯、美国等少数几个拥有大型锻压设备的国家采用模锻工艺生产外，大部分国家仍然采用传统的自由锻工艺生产。自由锻传统工艺存在着许多不足之处，主要问题有：①自由锻叶轮“肥头大耳”，材料消耗大，材料(钢锭)总利用率仅为l5％左右，机加工工时长；②由于锻不透，成品有一定数量的超声波探伤不合格。究其原因主要是工艺设计几乎凭经验进行，如毛坯设计的不合理导致叶轮成形锤击次数过高，严重损害了模具和设备导致使用寿命降低。因此，需要采用先进的成形理论和方法研究大型叶轮的模锻优化工艺，该课题的研究具有重要的理论和实际指导意义。
　　 为此，本文针对汽轮机叶轮模锻的预成形设计，利用刚粘塑性有限元方法模拟汽轮机叶轮等温模锻成形过程，分析不同坯料初始高径比对成形载荷、塑性应变能以及分流面的影响。具体开展的研究工作如下：
　　 （1）系统阐述了刚粘塑性有限元方法的基本理论。针对模锻过程有限元模拟所遇到的具体处理技术进行了较为深入探讨，并提出了相应的解决方法和算法。
　　 （2）通过深入分析汽轮机大型叶轮塑性成形工艺，建立了基于刚粘塑性有限元模拟的汽轮机叶轮模锻的预成形优化方案。即以打击能耗最低和模具作用载荷最小为目标函数，以完全填充为约束条件，以坯料初始高径比为优化变量的预成形坯料优化。
　　 （3）利用MSC.Marc软件对汽轮机大型叶轮模锻过程进行了刚粘塑性有限元数值模拟，通过分析填充过程金属流动规律，优化了毛坯高径比尺寸。有限元数值模拟结果表明获得的预成形H/D最佳尺寸可明显减少模锻锤击次数和模具磨损。所提出的有限元模拟预成形优化方法十分有效，克服了以往凭经验设计的弊端。从而为汽轮机大型叶轮模锻的制坯工艺优化提供了科学依据。
　　 综上，本文基于刚粘塑性有限元模拟的汽轮机叶轮模锻的预成形优化弥补了传统汽轮机叶轮毛坯制造工艺的不足。为实现大型汽轮机叶轮的模锻成形高质量、高效率、低成本奠定了基础。