In718合金末级叶片精锻成形及锻后冷却三维数值模拟

摘要

叶片是航空发动机中量大面广的一类重要零件，航空发动机叶片的发展依赖于材料和制造工艺的发展。叶片形状复杂，从叶片精锻过程到锻后冷却受到诸多因素的影响，目前人们对叶片精锻规律和锻后冷却过程的研究尚未系统和完善。叶片的精锻成形规律和锻后冷却规律影响着叶片组织性能、表面质量、形状尺寸，并进一步影响到材料的力学性能，因此采用有限元分析软件对叶片精锻过程和锻后冷却过程进行三维数值模拟是十分必要的。本文针对叶片精锻过程的成形规律和锻后冷却过程进行热-力耦合分析，对叶片制造技术和工艺的发展具有一定的理论意义和实用价值。本文研究的主要内容如下： 由于叶片本身的形状复杂，运用Pro/ENGINEER三维绘图软件对其进行曲面建模。绘制叶片精锻模具和锻后叶片形状，并对模型进行不同数值模拟软件环境下的导入，结果表明导入模型尺寸精确可靠，保证了模拟结果的准确性。 运用有限元模拟软件MSC.SuperForm对In718合金棒料进行三维镦粗数值模拟，分析镦粗成形的流线分布和不同工艺条件下的应力、应变分布及载荷-时间变化曲线。在模拟的基础上进行相应的镦粗试验研究，分析变形后坯料的真应力-应变曲线和金相组织。研究表明：In718高温镍基合金适合等温锻造，锻造温度范围为1010℃～1040℃，变形速度为0.05mm/s～0.5mm/s；热锻过程中发生了动态再结晶和回复，热锻后再结晶晶粒细小；数值模拟结果和试验研究结果比较接近，数值模拟结论可靠，试验结果为叶片热锻提供了相关的热锻工艺参数。 对单榫头叶片精锻过程进行三维数值模拟，观察整个网格变形过程，分析叶身和榫头在不同摩擦条件下的应力和应变分布、载荷-时间曲线。结果表明：叶身和榫头交接部位网格变形较大，此处金属难于变形易出现金属缺陷；摩擦加大了变形的不均匀性和塑性变形抗力；摩擦对叶身等效应变梯度的影响随着变形量的增加而增加，摩擦对榫头等效应变的影响随着变形量的增加而减小；叶身部分变形较大，榫头变形较小，叶身变形比榫头均匀。 模拟分析了预成形坯料摆放位置及预成形坯料形状对叶片成形规律的影响，讨论了缩颈问题。根据模拟结果确定坯料的最佳摆放位置，预成形坯料摆放位置对叶身影响较大，对榫头影响较小；预成形坯料形状极大地影响叶片精锻过程；预成形坯料形状和锻造模具形状都极大的影响精锻过程中的叶片缩颈和金属的流动规律。 基于热传导原理，建立平均温度求解方程，并推导叶片表面对流系数，利用ANSYS软件对锻后叶片的冷却过程进行了三维热-力耦合数值模拟。分析不同时间的温度场分布和冷却后的等效应力应变分布及变形翘曲情况。研究表明：冷却过程中温度梯度随时间变化是先增加后减小；叶片冷却过程中，由于温度分布不均匀而产生的附加应力导致了裂纹通常发生在榫头和叶身交接部位；叶片在三个方向上变形不均匀，叶尖右侧变形位移最大，翘曲严重；叶片冷却过程中的变形分析为叶片终锻模具的设计提供了一定的理论根据。

目录

文摘

英文文摘

本人声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2文献综述

1.2.1金属塑性成形研究方法与数值模拟研究进展

1.2.2叶片材料的研究现状与锻造工艺的研究进展

1.3选题的背景及意义

1.4本论文研究的主要内容

第二章 有限元理论与基本方程

2.1引言

2.2有限元法简介

2.3刚塑性/刚粘塑性有限元法

2.3.1基本假设

2.3.2基本方程

2.4刚塑性/刚粘塑性有限元基本原理—Markov变分原理

2.5三维热传导问题基本理论

2.5.1三维瞬态传热问题基本方程

2.5.2温度场的边值条件

2.5.3传热问题的变分原理

2.5.4热应力方程

2.6本章小结

第三章 三维叶片模型的建立

3.1引言

3.2 Pro/ENGINEER简介

3.3三维模型的Pro/E建模

3.3.1模具与坯料的三维建模

3.3.2三维叶片模型的建立与分析

3.4三维模型的导入与修改

3.4.1三维精锻模型的导入与修改

3.4.2耦合模型的导入与修改

3.5本章小结

第四章 In718合金热锻数值模拟与试验研究

4.1引言

4.2镦粗体积变形分区

4.3等温压缩数值模拟与结果分析

4.3.1关于MSC.SuperForm

4.3.2模型建立和网格重划分技术

4.3.3流线分布

4.3.4应变场分布和载荷行程曲线分析

4.3.5数值模拟结果小结

4.4实验研究与结果分析

4.4.1热模拟试验的真应力-应变曲线

4.4.2金相组织分析

4.5本章小结

第五章 叶片精锻过程三维数值模拟

5.1引言

5.2三维叶片数值模拟

5.2.1分析类型的选择和模型的导入

5.2.2坯料建立和网格的划分

5.2.3材料参数与初始条件的赋值

5.3模拟结果分析

5.3.1精锻过程网格变形

5.3.2载荷—时间曲线

5.3.3摩擦对精锻过程的影响

5.3.4摆放位置对精锻的影响

5.3.5预成形坯料对精锻的影响

5.4本章小结

第六章 叶片热应力耦合场数值模拟

6.1引言

6.2 ANSYS软件简介

6.2.1 ANSYS运行环境和功能

6.2.2 ANSYS架构及命令

6.3耦合场分析及前处理过程

6.3.1模型的建立

6.3.2材料参数的赋予

6.3.3单元类型选取和网格划分

6.3.4初始条件的确定和边界条件的求解

6.4工况载荷定义与收敛性判断

6.5模拟结果及分析

6.5.1热力耦合模拟结果分析

6.5.2结构力模拟结果与分析

6.7本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢