基于剛粘塑性有限元模擬的汽輪機葉輪模鍛的預(yù)成形優(yōu)化.pdf

1、大型葉輪是中小型汽輪發(fā)電機的重要零件之一。在高溫、高壓蒸汽介質(zhì)中高速旋轉(zhuǎn)，承受著巨大的切向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和振動附加應(yīng)力。因此葉輪整個截面上要求高強度、高韌性以及低的殘余應(yīng)力。
　　 在目前大型葉輪實際生產(chǎn)中，常采用鍛造方法。迄今為止，除了俄羅斯、美國等少數(shù)幾個擁有大型鍛壓設(shè)備的國家采用模鍛工藝生產(chǎn)外，大部分國家仍然采用傳統(tǒng)的自由鍛工藝生產(chǎn)。自由鍛傳統(tǒng)工藝存在著許多不足之處，主要問題有：①自由鍛葉輪“肥頭大耳”，材料消耗大，材料(

2、鋼錠)總利用率僅為l5％左右，機加工工時長；②由于鍛不透，成品有一定數(shù)量的超聲波探傷不合格。究其原因主要是工藝設(shè)計幾乎憑經(jīng)驗進行，如毛坯設(shè)計的不合理導(dǎo)致葉輪成形錘擊次數(shù)過高，嚴重損害了模具和設(shè)備導(dǎo)致使用壽命降低。因此，需要采用先進的成形理論和方法研究大型葉輪的模鍛優(yōu)化工藝，該課題的研究具有重要的理論和實際指導(dǎo)意義。
　　 為此，本文針對汽輪機葉輪模鍛的預(yù)成形設(shè)計，利用剛粘塑性有限元方法模擬汽輪機葉輪等溫模鍛成形過程，分析不同坯料

3、初始高徑比對成形載荷、塑性應(yīng)變能以及分流面的影響。具體開展的研究工作如下：
　　 （1）系統(tǒng)闡述了剛粘塑性有限元方法的基本理論。針對模鍛過程有限元模擬所遇到的具體處理技術(shù)進行了較為深入探討，并提出了相應(yīng)的解決方法和算法。
　　 （2）通過深入分析汽輪機大型葉輪塑性成形工藝，建立了基于剛粘塑性有限元模擬的汽輪機葉輪模鍛的預(yù)成形優(yōu)化方案。即以打擊能耗最低和模具作用載荷最小為目標函數(shù)，以完全填充為約束條件，以坯料初始高徑比為優(yōu)

4、化變量的預(yù)成形坯料優(yōu)化。
　　 （3）利用MSC.Marc軟件對汽輪機大型葉輪模鍛過程進行了剛粘塑性有限元數(shù)值模擬，通過分析填充過程金屬流動規(guī)律，優(yōu)化了毛坯高徑比尺寸。有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明獲得的預(yù)成形H/D最佳尺寸可明顯減少模鍛錘擊次數(shù)和模具磨損。所提出的有限元模擬預(yù)成形優(yōu)化方法十分有效，克服了以往憑經(jīng)驗設(shè)計的弊端。從而為汽輪機大型葉輪模鍛的制坯工藝優(yōu)化提供了科學依據(jù)。
　　 綜上，本文基于剛粘塑性有限元模擬的汽輪機葉