汽轮机叶片锻造成形有限元数值模拟研究

摘要

汽轮机叶片是汽轮机的核心零部件，起能量转换的关键作用。出于对产品性能的要求以及制造成本方面的考虑，越来越多的厂家采用了热锻工艺进行生产。但由于叶片形状复杂，所用材料变形抗力大，使得采用传统方法难以揭示叶片金属流动规律性。因此，借助有限元数值模拟技术，研究叶片成形规律，对其锻造工艺设计及优化具有重要的理论意义和实用价值。 叶片的生产成本在很大程度上取决于锻造模具的使用寿命，通过数值模拟，掌握模具的受力情况和温度变化，分析获得模具失效起因和易失效部位等信息，籍以制定相应的对策和措施来提高模具的使用寿命。本文选用美国SFTC公司推出的金属塑性成形模拟软件DEFORM.3D作为实验平台。基于方便用户灵活控制工作流程和进一步扩展软件功能的目的，对DEFORM软件的文本模式运行进行了探讨，论文主要内容及成果如下： 利用DEFORM-3D软件对叶片锻造成形过程进行了数值模拟，结合高温塑性变形理论，研究了模锻叶片的成形特点以及始锻温度对叶片成形过程的影响。通过对叶片在1100℃、1150℃和1200℃始锻时，变形金属的温度、应力一应变、动态硬化软化特征、锤击效率和模具工作状态的对比分析，确认始锻温度为1200℃时，坯料金属的流动性最好，叶片成形所需的锤击数最少，热一机因素对模具工作状态的影响与始锻温度1150℃时无异。 在叶片成形过程中，模腔局部高温和高应力的共同作用是造成模具过早失效的重要原因之一。通过数值模拟实验，找出了模膛最易失效处为与叶身一叶根过渡部位对应的区域，并提出针对性的预防措施。 对DEFORM软件在text-only(文本)模式下的应用进行了探讨，得出该模式下DEFORM主程序根据存储在脚本文件中的相关命令，可以依次调用自己的功能模块来完成工件成形的前处理与数值模拟。同图形用户界面模式相比，用户可以根据实际需要，利用该模式下的脚本命令，开发出自动调用DEFORM前处理功能模块的用户子程序。叶片锻造是一个非常复杂的非稳态塑性变形过程，通过数值模拟技术对叶片成形规律以及模具工作状态进行研究行之有效，且有着传统实验方法无可比拟的优势。另外为了便于用户灵活控制DEFORM软件以及有针对性地进行二次应用开发，对DEFORM文本运行模式的研究有着十分重要的现实意义。

目录

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摘要

1绪论

1.1引言

1.2叶片锻造技术的研究现状及其发展

1.3叶片锻造成形数值模拟技术的研究与发展

1.4课题研究的目的、意义及内容

1.5本章小结

2体积成形数值模拟理论

2.1引言

2.2刚(粘)塑性基本假设与基本方程

2.3刚(粘)塑性有限元法基本原理-Markov变分原理

2.4刚(粘)塑性有限元列式及其求解

2.5塑性成形过程中传热问题的基本理论及其有限元方程

2.6本章小结

3叶片模锻过程三维有限元关键技术问题的处理

3.1引言

3.2三维热力耦合有限元数值模拟中关键技术问题的处理

3.3刚(粘)塑性材料的变形抗力(流变应力)

3.4模具形状的几何描述技术

3.5模锻叶片成形有限元模拟系统的建立

3.6本章小结

4金属材料高温塑性变形理论

4.1引言

4.2高温变形下位错结构的变化

4.3动态回复

4.4动态再结晶

4.5本章小结

5 DEFORM文本模式

5.1引言

5.2文本模式下的数值模拟过程

5.3文本模式运行的关键技术

5.4本章小结

6叶片成形过程数值模拟

6.1引言

6.2数值模拟准备

6.3数值模拟流程

6.4本章小结

7叶片成形数值模拟结果分析

7.1引言

7.2叶片成形过程分析

7.3变形温度的影响

7.4模具工作状态分析

7.5本章小结

8结论与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢