考虑相变过程的水轮机转轮焊接残余应力分析

摘要

近年来，中国大力开发水利资源，广泛应用大型水轮机建设大型水电机组。经过对实际工作转轮的研究和分析得知，影响转轮工作寿命的主要原因之一是在转轮上出现疲劳裂纹。随着工作时间的延长，裂纹开始逐渐扩展直至转轮完全破坏。由于转轮的叶片通常是与上冠和下环焊接而成，焊缝处通常是产生疲劳裂纹的主要区域。所以，要研究转轮的工作破坏机理，必须要对其焊缝处进行受力分析，找到裂纹萌生的原因。 本文采用三维热弹塑性有限元理论，并考虑了金属相变原理对焊接过程的影响，以大型通用有限元软件Ansys作为计算工具，研究转轮叶片与上冠和下环焊缝处的残余应力及其分布规律。为提高计算结果的精度，采用带中间结点的六面体单元对转轮进行单元划分。在焊缝处划分为六条焊缝，共分三层叠焊，与实际情况基本符合。还须选择较合适的本构关系模拟不同温度下材料的力学属性。在得到计算结果后将其与没有考虑相变过程的结果进行比较，分析出相变理论对焊接过程的影响。还要将最后结果与实测值及其它文献计算结果进行回火退火前后的比较，对数值模拟结果的准确度进行分析。希望所得结论对分析转轮疲劳裂纹的萌生有所帮助，进而可以在不久的将来解决转轮的工作疲劳问题。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1．1工程背景

1．2主要研究内容

第2章 国内外该问题的分析现状

2．1国内外的研究现状

2．2本文的研究特点

第3章 焊接过程中的相变理论

3．1热焓法概念

3．2金属固液相变理论

3．3相变温度对残余应力的影响

3．4用有限元法处理相变问题

第4章 焊接材料性能分析

4．1转轮材料特性

4．2高温下材料的微观形态

4．3材料性能参数的确定

第5章 Ansys软件的应用

5．1有限元热分析基本理论

5．1．1稳态传热分析

5．1．2瞬态传热分析

5．1．3线性与非线性

5．1．4相变理论有限元法

5．2Ansys焊接过程分析的基本步骤

第6章 转轮残余应力的实验测试

6．1实验测试概述

6．2实测原理

6．2测试方法

6．3测点布测位置

6．3．1退火前测点位置

6．3．2退火后测点位置

6．4测量结果图

第7章 转轮数值模拟与对比分析

7．1建立转轮模型

7．2模型网格划分

7．3建立本构关系

7．4焊缝网格划分及焊接顺序

7．5结构的约束条件

7．6程序关于相变过程的处理

7．7关于焊缝处的能量计算

7．8温度场的计算

7．9应力场的计算

第8章 计算云图对比分析

8．1温度场计算结果云图

8．2温度场云图对比分析

8．3应力场计算云图

8．4应力场云图对比分析

8．5与不考虑相变过程云图对比

8．6结果分析及小结

第9章 残余应力结果对比分析

9．1实测值与计算值的对比分析

9．1．1退火前实测值与计算值对比

9．1．2退火后实测值与计算值对比

9．1．3退火前后计算值对比

9．2与文献[2]计算结果的对比分析

9．2．1退火前两工况计算值对比

9．2．2退火后两工况计算值对比

9．2．3退火前后文献[2]计算值对比

9．3与不考虑相变过程结果的对比分析

9．3．1退火前两计算值对比

9．3．2退火后两计算值对比

9．4结果分析及小结

第10章 结果误差原因分析

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间参加的科研项目及发表的学术论文