发电机组斜三通大型锻件锻造过程模拟研究

摘要

大型斜三通锻件作为发电机组主蒸汽管道的主要连接部件，长期承受高温、高压高流速以及交变应力带来的恶劣工作环境。随着发电机组的容量不断提高，斜三通工作环境的温度以及压力不断提升，对传统的斜三通锻件的综合机械性能提出了更高的要求。传统的铸造再机加工或者焊接生产的大型斜三通性能已经难以满足要求，因此提出了大型斜三通的整体锻造成形工艺。本文以DEFORM-3D为平台，搭建了相关的有限元模型，对大型斜三通锻件的开坯镦拔，外廓成形以及内孔成形进行了数值模拟，以期获得合理的虚拟锻造方案，对实际生产过程具有重要的指导意义。
　　开坯镦拔主要为了获得较大的锻造比，以改善坯料的铸态缺陷。镦粗时，为了使坯料心部获得理想的三向压应力状态，需要控制上砧的压下率。高径比一定时，压下率越大，坯料心部的三向压应力区域越大。坯料的高径比越大，获得一定区域的三向压应力所需的压下率越大。当压下率过大时，心部变形协调性较差，易产生层状裂纹。拔长时砧宽比以及压下率决定着坯料心部应力场以及应变场分布，砧宽比越大，压下率越大，心部的三向压应力区域也越大;拔长时坯料心部的等效应变分布始终不均匀，中心轴线上的等效应变大小呈正弦曲线状态分布，可采取错砧拔长的方式提高坯料中心轴线上等效应变分布的均匀性。
　　大型斜三通锻件属于异型件，通过宽平砧与V形砧的组合使用，采用自由锻的方法即可成形出斜三通的外廓形状。通过对比不同方法成形出的方坯的应力应变场分布，选取了合理的方坯成形方法。合理的坯料对角下压量可以成形出较规则的斜三通主管两端外形，同时可以使得主管、支管外壁的应变场沿轴向的分布基本一致。
　　大型斜三通锻件的主管以及支管内孔较深，由于斜三通的外形限制，只能采取深冲孔成形。采用可内接于斜三通主管部分的高径比2.5的圆柱形坯料为研究对象，通过研究冲头的极限载荷，确定了最小冲孔孔径比，通过对冲孔后坯料外形尺寸的变化，确定了最大冲孔孔径比。由于冲孔后的孔径小于目标孔径，还需对冲孔后坯料进行扩孔，研究了采用不同孔径比冲孔后的坯料进行扩孔后的外形尺寸，应变场以及损伤值的变化，发现冲孔孔径比较小的坯料，扩孔到目标内孔径后其形变量较小，应变场更均匀，但是易导致内孔口部产生裂纹。
　　本文的模拟结果可以为大型斜三通锻件实际生产锻造工艺的制定提供理论依据，可以对锻造过程中的经验参数进行优化，更好的指导大型斜三通锻件的生产。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 大型锻件的锻造工艺概述

1．2．1 锻造工艺概述

1．2．2 大锻件研究现状

1．3 有限元数值模拟技术在大锻件锻造中的应用

1．4 课题研究的意义及主要内容

1．4．1 课题研究的意义

1．4．2 课题研究的主要内容

1．5 本章小结

第二章 有限元数值模拟的基础理论及模拟软件

2．1 刚粘塑性有限元法

2．1．1 刚粘塑性有限元法的基本方程

2．1．2 刚粘塑性有限元法的基本理论

2．1．3 刚粘塑性变分原理

2．2 热力耦合理论基础

2．2．1 热平衡微分方程

2．2．2．初始条件与边界条件

2．2．3 热力耦合变分原理

2．2．4 热力耦合求解过程

2．3 有限元模拟软件DEFORM-3D简介

2．4 本章小结

第三章 锻造工艺方案的制定及有限元模型的建立

3．1 锻造工艺的技术要点

3．2 锻造工艺方案的制定

3．3 有限元模型的建立过程及方法

3．3．1 前处理

3．3．2 求解

3．4 本章小结

第四章 开坯镦拔工艺的模拟研究

4．1 开坯镦拔工艺简介

4．2 开坯镦粗过程的模拟研究

4．2．1 不同高径比和压下率对应力场的影响

4．2．2 镦粗合理压下率的确定

4．2．3 高径比和压下率对应变场的影响

4．2．4 压下率和内部缺陷的关系

4．3 开坯拔长过程的模拟研究

4．3．1 拔长时坯料应力场的分析

4．3．2 拔长临界压下率的确定

4．3．3 拔长时坯料的应变场分析

4．3．4 错砧量对应变场分布的影响

4．4 本章小结

第五章 斜三通外廓成形工艺的模拟研究

5．1 方坯成形工艺的研究

5．1．1 方坯的应力场分析

5．1．2 方坯的应变场分析

5．2 斜三通外廓成形研究

5．2．1 斜三通外廓成形的应力分析

5．2．2 斜三通外廓成形的应变分析

5．3 本章小结

第六章 斜三通内孔成形工艺的模拟研究

6．1 冲孔孔径比下限的确定

6．2．1 孔径比对成形载荷的影响

6．2．2 冲孔孔径比下限的研究

6．2 冲孔孔径比上限的确定

6．2．1 冲孔时孔径比对坯料外形变化的影响

6．2．2 冲孔孔径比上限的研究

6．3 目标孔径成形工艺研究

6．3．1 目标孔径成形后坯料的尺寸分析

6．3．2 目标孔径成形后坯料的应变场分析

6．3．2 目标孔径成形后坯料的损伤值分析

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献