汽轮机转子材料30Cr2MoV疲劳过程数值模拟与损伤评价方法

论文摘要

汽轮机转子是汽轮机组的核心部件之一,它工作环境恶劣、体积大、造价昂贵。在工作条件下产生的载荷波动、温度梯度以及应力集中等诸多因素使转子容易产生不同程度的塑性变形,并因承受塑性应变的循环作用而受到破坏,酿成事故。因此对转子进行精确的损伤评价显得尤为重要。能量理论法是当今金属疲劳损伤研究的热点,该方法对高温部件的低周疲劳问题及疲劳与蠕变耦合的问题具有很好的适应性,有很好的发展前景。另一方面,随着数值计算方法、有限元理论和计算机科学等领域的发展,利用有限元分析软件可以对转子的循环受载过程进行模拟,并取代传统材料疲劳实验。数值模拟技术的应用不仅可以减少实验样机的数量,降低成本,而且还可以获得疲劳实验中无法获得的实验数据,是以后疲劳损伤评价的发展趋势。本文以大型热力发电厂汽轮机转子为研究对象,依据转子钢材料30Cr2MoV的静力学和疲劳实验数据,采用Fortran计算语言和增量有限元方法建立了该材料的弹塑性损伤本构关系。然后在此基础上通过MSC.MARC平台建立转子材料的三维标准疲劳受载试件模型,对模型循环加载过程进行了数值模拟。通过数值模拟得到了应力、应变分布、循环历程的应力应变曲线（迟滞回线）。对数值模拟计算结果在弹性和弹塑性阶段分别进行验证,发现其与实验数据结果吻合较好。接着研究了虚拟疲劳过程中的塑性能变化规律,获得了塑性能随总应变及无因次寿命的变化规律。将数值模拟结果和实验数据对比,发现两者也有很多相似之处。证实了该数值模拟实验方法的有效性。本文总结出了以标准疲劳试件为对象的疲劳损伤过程数值模拟的一般方法,了解了疲劳损伤模拟对网格单元类型、网格数量、存储空间、迭代步长等的具体要求,该方法计算速度较快,结果精度较高。通过有限元方法建立了基于“力学-损伤”耦合分析的转子材料疲劳寿命评价方法,初步研究了疲劳过程中的能量现象。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 论文背景及研究意义
• 1.2 金属疲劳损伤评价的方法概述
• 1.3 基于能量理论的疲劳损伤研究进展
• 1.4 疲劳损伤过程的数值模拟方法
• 1.5 本文主要工作
• 2 转子材料增量有限元损伤本构模型建立
• 2.1 转子钢材料的力学特征
• 2.2 转子材料的弹塑性力学模型
• 2.3 增量弹塑性有限元实现
• 3 疲劳损伤过程的数值模拟
• 3.1 常规疲劳实验与虚拟疲劳实验
• 3.2 转子材料疲劳损伤过程的数值模拟研究
• 3.3 虚拟实验结果描述与验证
• 4 疲劳过程中的能量研究
• 4.1 循环等效塑性应变与塑性能的计算
• 4.2 能量现象的验证
• 5 基于“损伤－力学”耦合分析的转子材料疲劳寿命评价方法
• 5.1 基于“损伤－力学”耦合分析的寿命评价体系
• 5.2 损伤模型的建立与验证
• 6 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文及参与的研究工作