基于ansys斷裂力學理論的混流式轉(zhuǎn)輪焊接過程分析

1、基于基于ANSYS斷裂力學理論的混流式轉(zhuǎn)輪焊接過程分析斷裂力學理論的混流式轉(zhuǎn)輪焊接過程分析1前言前言隨著斷裂力學理論與實驗的不斷發(fā)展，使得結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的強度、剛度和穩(wěn)定性的分析及設計發(fā)展到可以進行斷裂和損傷的分析及設計，使得許多過去僅能定性分析的問題達到定量的計算。早在上個世紀八十年代末期，國外已經(jīng)運用斷裂力學的理論解決工程中的實際問題。例如：挪威Kavaner公司在我國魯布革水電站轉(zhuǎn)輪葉片與上冠之間就是采用預留焊縫方法進行連接的法國AL

2、STOM公司在三峽左岸電站轉(zhuǎn)輪的制造過程中，也運用斷裂力學的理論分析研究，最終確定轉(zhuǎn)輪葉片與上冠之間采用預留焊縫的方法進行連接。在國內(nèi)，目前混流式轉(zhuǎn)輪葉片與上冠(或下環(huán))之間焊接時仍沒有采用預留焊縫的焊接方法。本文運用斷裂力學理論，結(jié)合混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)及受力特點，確定了轉(zhuǎn)輪葉片與上冠或下環(huán)之間采用部分焊透預留焊縫尖端應力強度因子分析模型，為今后在水輪機轉(zhuǎn)輪葉片與上冠(或下環(huán))之間采用部分焊透提供理論和工程依據(jù)。斷裂力學失效判據(jù)與經(jīng)

3、典強度失效判據(jù)不同的是：它不是以危險點的應力強度，而是以裂紋的應力強度因子(KI，KII，KIII等)作為參考。當應力強度因子達到或超過材料的裂紋擴展門檻值(ΔKTH)時，裂紋開始緩慢擴展當應力強度因子達到或超過臨界值(KIC)時，裂紋開始失穩(wěn)擴展，最終導致斷裂，如圖1所示。在確定轉(zhuǎn)輪葉片與上冠或下環(huán)預留焊縫長度時，就是控制預留焊縫尖端的應力強度因子在無裂紋擴展區(qū)域，使得轉(zhuǎn)輪在運行過程中預留焊縫不擴展，從而保證機組的安全運行?；炝魇睫D(zhuǎn)輪

4、葉片形狀復雜，在對其進行預留焊縫應力強度因子分析時，受結(jié)構(gòu)等因素的限制，無法運用三維的應力強度因子分析模型，因此，可將其簡化成二維的結(jié)構(gòu)形式。圖2為轉(zhuǎn)輪葉片與上冠連接某一切開斷面的形狀。為了便于分析計算，可將其簡化成圖3的計算模型。一般情況下，預留焊縫長度t=B3(B為葉片與上冠或下環(huán)相交處的厚度，不考慮過渡圓角)，分析時考慮以下3種工況，①正常運行工況②正常轉(zhuǎn)速下沒有水壓力工況③從正常轉(zhuǎn)速下沒有水壓力情況過渡到正常運行工況的應力變化幅

5、值。其中P和F2的確定方法如下：圖2葉片與上冠(或下環(huán))切開的基本形狀圖3葉片與上冠(或下環(huán))計算應力強度因子模型P的確定方法：取上述三種工況中葉片與上冠(或下環(huán))相交相應位置中間節(jié)點的最大法向應力值F2的確定方法：取上述三種工況中葉片與上冠(或下環(huán))相交相應位置葉片正面節(jié)點的最大法向應力值。式中LB如圖3所示。應力強度因子分析的邊界條件如圖4所示。3實際算例實際算例下面以某電站轉(zhuǎn)輪為例，簡要闡述轉(zhuǎn)輪葉片與下環(huán)之間采用部分焊透預留焊縫長