整体叶盘电子束焊接残余应力和变形的虚拟优化

论文摘要

整体叶盘是提高现代航空发动机推重比的重要手段,但其结构复杂,制造困难,本文从减小焊接变形出发,利用大型有限元分析软件Marc虚拟优化了整体叶盘电子束焊接工艺。为了提高模拟的计算精度,在已有热源模型的基础上建立了双椭圆衰减体热源,模型中首次引入了拐点的概念,前后能量采用了不等分布的处理方式,模拟结果表明,该热源能更好地模拟电子束的“钉头”形貌,得到更为准确的温度场,且能随拐点发生形状的转化,相比其它热源有更好的可扩展性。在整体叶盘的焊接中,能量输入的大小将直接关系到焊接所产生的温度场,进而影响所产生的焊接残余应力和变形,而叶盘焊接熔深随路径的变化而不同,为减小热输入,使用非恒定功率焊接以替代恒定功率焊接,焊后结果表明,减少热输入后,叶盘在纵向、横向和径向上位移变化都有大幅下降。整体叶盘焊缝多达41条,焊接顺序对于焊接变形有着重要的影响,合理的焊接顺序会使变形得到有效地控制。基于焊缝间相互热影响最小的原则,确定了顺序焊接、45度排列焊接、90度排列焊接和180度排列焊接四种典型的焊接顺序,计算结果显示,依次顺序焊接的叶盘圆度最小,为1.54%,180度排列焊次之,而45度排列焊接圆度最大,为1.59%,因此在没有更好的焊接顺序出现之前,对于圆度要求较高的整体叶盘或其他的侧壁有焊道的圆形精密仪器,应采用顺序依次焊接的方法来代替实际中广泛使用的180度焊接排列顺序。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 整体叶盘的应用现状
• 1.2.1 整体叶盘在国外的应用
• 1.2.2 整体叶盘在国内的应用
• 1.3 整体叶盘的制造及发展趋势
• 1.3.1 整体叶盘的制造方法
• 1.3.2 整体叶盘的电子束焊接
• 1.3.3 整体叶盘的发展趋势
• 1.4 数值模拟在焊接中的应用
• 1.5 电子束热源模型简介
• 1.5.1 双椭球热源
• 1.5.2 旋转Gauss 曲面体热源
• 1.5.3 圆锥体热源
• 1.5.4 组合热源
• 1.6 本文研究内容
• 第2章 新型电子束焊接热源模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 现有热源模型的不足和推导机制的分析
• 2.2.1 线热源
• 2.2.2 面热源
• 2.2.3 体热源模型
• 2.2.4 组合热源
• 2.3 新型热源模型的建立
• 2.3.1 双椭圆衰减体热源模型的建立
• 2.3.2 数值模拟结果的对比分析和试验验证
• 2.3.3 新型热源模型优点
• 2.4 小结
• 第3章 减少热输入控制叶盘焊接变形的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 有限元模型及简化
• 3.3 恒定功率焊接的数值模拟及结果分析
• 3.4 非恒定功率焊接的数值模拟及结果分析
• 3.4.1 焊接功率与熔深关系的推导及其大小的选择
• 3.4.2 模拟结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 整体叶盘焊接顺序的虚拟优化
• 4.1 引言
• 4.2 整体叶盘有限元建模
• 4.3 典型焊接顺序的选取
• 4.4 焊接模拟结果的分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢