水輪機轉(zhuǎn)輪葉片預成形設計與有限元分析.pdf

1、轉(zhuǎn)輪葉片是水力發(fā)電機組中的核心部件，形狀復雜，尺寸厚薄不均，制造難度大。從產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃到生產(chǎn)試制等多個環(huán)節(jié)中都存在著技術(shù)瓶頸，傳統(tǒng)的工藝設計方法具有盲目性和試驗周期長等缺點。本文基于數(shù)值模擬的方法，系統(tǒng)研究了轉(zhuǎn)輪葉片熱模壓成形過程，提出了新的設計思路和方法，完成了水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的預成形工藝設計，建立了成形過程的有限元分析模型與多目標優(yōu)化模型，并將計算結(jié)果、優(yōu)化結(jié)果與工廠試制結(jié)果進行了對比分析與驗證。
　　 本文取得的主要研

2、究成果如下：
　　 針對X型轉(zhuǎn)輪葉片的參數(shù)化CAD模型，基于合模狀態(tài)下的共同坐標，提出了新的水平基準的定位方式：以葉片工作面的進水邊與下環(huán)交點為原點，出水邊與上冠交點為X軸線點作為參考定位。針對熱模壓模具，建立了模具向冷卻水傳遞熱流的數(shù)學模型，求解了冷卻水流速度。為使整個成形過程中的模具溫度不低于300℃，冷卻水流速應不低于970 mm/s。
　　 將基于理想變形理論的一步模擬法和基于相似原理的類等勢場法相結(jié)合，提出了一

3、種復合的預成形設計新方法。以一步模擬法反向計算外形輪廓尺寸，以類等勢場法正向計算特征截面厚度分布，建立了不等厚度變截面的葉片展開坯料模型。中面模型展開計算采用可以表征彎曲作用的薄膜/板殼混合單元，摒棄了傳統(tǒng)木模圖中關于特征截面的展開計算方法，提高了葉片預成形設計的精度與效率。
　　 為確保實際生產(chǎn)中壓力中心的波動始終處于設定的公差范圍之內(nèi)，提出了一種基于剛塑性有限元法，通過計算實時節(jié)點力獲取不等厚度板坯模壓成形過程中動態(tài)壓力中心

4、的新算法。在DEFORM3D軟件上二次開發(fā)實現(xiàn)了該算法，給出了用戶坐標系下壓力中心的變化規(guī)律，為壓力中心的優(yōu)化提供了必要的信息。
　　 基于金屬材料熱壓縮試驗結(jié)果，以分段函數(shù)的形式，建立了0Cr13Ni5Mo材料的高溫流動應力模型。針對流動應力-應變曲線上升階段和穩(wěn)態(tài)階段，分別采用了影響系數(shù)法和Arrhenius方程建立了應力關于變形溫度、應變和應變速率的數(shù)學表達式。利用統(tǒng)計學的方法分析并驗證了新材料模型的可靠性。
　　

5、 考慮溫度對磨損模型中參數(shù)的影響，采用修正的Archard模型，分析了0Cr13Ni5Mo材料熱模壓模具的磨損情況，發(fā)現(xiàn)模具磨損最嚴重處都位于模具同葉片出水邊與下環(huán)相交的端部對應處。分析發(fā)現(xiàn)：成形溫度對模具磨損的影響最為顯著。
　　 為了降低成形抗力與能耗成本，建立了葉片熱塑性加工多目標優(yōu)化問題的數(shù)學模型，選取了變形溫度、應變速率以及摩擦因子作為優(yōu)化變量，構(gòu)建了新的成形載荷子函數(shù)、能耗子函數(shù)、生產(chǎn)效率子函數(shù)。針對成形載荷子函數(shù)，

6、設計了析因試驗，采用回歸分析等統(tǒng)計學方法，擬合其為包含交互效應的完全二次多項式。針對能耗子函數(shù)與生產(chǎn)效率子函數(shù)，通過分析其計算方法，將能耗函數(shù)、效率函數(shù)分別歸納為各自對應分量的和函數(shù)。利用線性加權(quán)和法，建立了評價函數(shù)，將多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標非線性規(guī)劃問題。優(yōu)化后的最大成形載荷為6.21 MN，小于設備額定載荷10MN：成形能耗值由原設計的23 MJ降為18.63 MJ，降幅達19％；生產(chǎn)效率為39.67 min/件，較原工藝提高了