叶轮焊接残余应力及变形量的有限元计算分析

论文摘要

焊接是现代工业制造技术中一种不可缺少的加工工艺。由于焊接制造工艺具有多学科综合的特点,使得焊接技术能够更快地融入最新科学技术的成就。焊接是叶轮加工的重要工艺之一。在叶轮焊接的过程中,温度很高,可以达到1500℃,在这种高温条件下,叶轮呈现出高度的材料非线性和几何非线性,导致焊接后叶轮经常出现超出公差要求的变形,造成叶片间的流道间隙不均匀,不仅使气动性能受到影响,而且由焊接产生残余应力可能给高速旋转下的叶轮带来隐患。焊接残余应力和变形量的计算结果分析,有助于设计人员改进焊接工艺方案,以达到减少成本,保证流道形状的目的。本文结合与沈阳鼓风机集团有限公司的合作项目,根据工程实际,建立叶轮整体模型。使用有限元方法,结合生死单元技术和APDL参数化语言编程,模拟焊接流程。论文工作主要包括以下几个部分:模拟叶轮整体焊接过程,即预热180℃,钨极氩弧焊打底,填槽(堆焊)焊接,回炉热处理和自然冷却,计算叶轮在焊接工艺各个阶段的温度场、应力场和位移场分布,给出叶轮的整体变形和最终的残余应力、变形分布。针对钨极氩弧焊打底过程中容易出现的缺陷——断弧,即间断焊接计算。建立简化模型,模拟计算了连续焊接和八种间断时间条件下焊接的温度场、应力场和位移场分布。对比不同焊接情况的结果,间断焊接会产生比连续焊接更大的应力分布区域和三向拉伸应力状态区,这样对于叶轮的使用和疲劳寿命都是不利的。使用之前的简化模型,针对钨极氩弧焊打底过程中另一种缺陷——偏心焊接,模拟计算焊接的温度场、应力场和位移场分布。偏心焊接产生残余应力在叶片厚度方向上没有对称性,在叶片高度方向上呈现“高—低—高”的分布,显示出较大的应力梯度。这样的应力分布对焊接结构的疲劳性能是很不利的。通过以上的计算,本文还证明了焊接后的热处理是非常必要的。它能有效地降低焊接残余应力,并使残余应力分布更加均匀。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 焊接成形技术的特点
• 1.3 焊接残余应力
• 1.3.1 焊接残余应力
• 1.3.2 焊接残余应力产生的机理
• 1.3.3 焊接残余应力的特点
• 1.3.4 焊接残余应力的性质
• 1.4 焊接热应力分析的发展概况及趋势
• 1.4.1 焊接热应力分析的发展概况及现状
• 1.4.2 焊接热应力分析的发展趋势
• 1.5 论文结构
• 2 焊接传热定律和热弹塑性有限元法
• 2.1 热力学第一定律
• 2.2 热传导方式
• 2.3 瞬态传热
• 2.3.1 瞬态传热
• 2.3.2 三维瞬态热传导方程
• 2.4 线性与非线性
• 2.5 焊接热弹塑性有限元法
• 2.6 ANSYS 的耦合场分析和生死单元法
• 2.6.1 ANSYS 的耦合场分析
• 2.6.2 ANSYS 生死单元法
• 3 叶轮的焊接残余应力及变性量分析
• 3.1 材料的热学与力学特性
• 3.2 ANSYS 温度场分析
• 3.2.1 温度场模型及网格
• 3.2.2 叶轮温度场分析流程和参数
• 3.2.3 温度场计算结果
• 3.3 ANSYS 应力场分析
• 3.3.1 应力场计算结果
• 3.3.2 应力场计算结果分析
• 4 钨极氩弧连续和间断焊接的残余应力对比分析
• 4.1 焊接实验
• 4.2 有限元模型
• 4.3 移动热源温度场模拟
• 4.4 残余应力分析
• 4.4.1 叶片高度方向残余应力
• 4.4.2 叶片高度方向三个主应力
• 4.4.3 叶片高度方向热处理与未经热处理残余应力
• 4.5 本章小结
• 5 打底焊偏心受热分析
• 5.1 温度场
• 5.2 应力场
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文及工作情况
• 致谢