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水轮机叶片热模压成型过程仿真及残余应力分析
时间:2019-11-20    评论:0
    来源:第三维度
    作者:胡章洪、乔杰
    单位:东方电气东方电机有限公司

    摘要: 建立了叶片热模压有限元力学模型, 利用DEFORM - 3D 有限元分析软件对某水轮机叶片热模压成型过程进行了三维数值模拟仿真, 为量化叶片热模压成型工艺参数设计提供依据; 同时得到叶片的残余应力分布规律, 为定性分析叶片回弹变形提供依据。 该方法已用于叶片生产, 具有良好的应用前景。

    水轮机转轮叶片是水力发电设备的核心部件,其制造质量直接影响水轮机的水力效率、 空化性能及机组运行的稳定性[1]。 水轮机叶片热模压成型工艺相对于传统的水轮机叶片制造工艺 “砂型铸造 - 铲磨” 有其独特的优势, 该工艺制造的叶片内部晶相组织好、 机械性能高、 生产周期短, 是叶片制造的先进工艺方法。 随着计算机辅助工程、材料塑性成形理论以及数值技术方法的发展, 基于有限元法的数值模拟仿真成为解决金属塑性变形问题的有力工具[2], 避免了传统的工艺设计的盲目性、 试探性和试验周期性长等缺点。 东方电机公司经过多年的研究实践, 通过在福堂、 吉林台、 栗子坪等电站模压叶片的经验积累, 已形成一套较为成熟的模压工艺。 本文根据该公司的模压叶片成型工艺, 基于有限元数值模拟的方法,建立了符合实际的水轮机叶片热模压有限元力学模型, 采用 DEFORM - 3D 有限元分析软件对某水轮机叶片热模压成形过程进行三维数值模拟仿真,为叶片热模压成型工艺参数设计提供依据; 同时分析得到叶片的残余应力分布规律, 为分析叶片回弹变形和由于残余应力不均产生的裂纹提供依据。 该方案已实际用于叶片生产, 具有良好的应用前景。

    1 叶片热模压工艺流程

    叶片热模压成型过程是一个复杂的塑性变形过程, 既存在材料的非线性, 又存在几何非线性和边界条件的非线性[3]。 叶片热模压工艺流程主要包括叶片曲面的展开、 模具和叶片板坯的预热、一次模压成型、 二次微调保压成型、 脱模、 回火热处理等, 整个工艺流程如图 1 所示。

图 1 叶片模压成型流程图

    2 叶片展平

    叶片展开, 即把叶片的空间曲面展开为平面,叶片展平后的尺寸必须保证叶片在热模压成型的过程中不产生褶皱, 叶片加工余量分布均匀。 叶片展开方法有几何展平法和机械压平法, 几何展开法是基于空间曲面的展开理论, 用数学方法编制相应的程序得到近似展开图; 机械压平法是利用比模法做出适当比例的叶片, 以它为原型进行叶片展开, 然后测量出轮廓, 以此绘出叶片展开图, 按比例放大即可。 本文通过有限元法在 UG 软件中利用一步法及可成形性分析, 通过定义展开的约束条件, 定义叶片板坯的展开方向, 完成展开操作, 如图 2 所示。

图 2 叶片展开图

    3 叶片热模压有限元建模

    叶片在热模压过程中温度和油压机的压力对叶片板坯塑性变形的影响是非常明显的。 本文利用 DEFORM - 3D 有限元软件, 将上、 下模具视为刚体, 叶片展开的板坯视为变形体, 在 HM 软件中将叶片板坯划分为 20 268 个 8 节点的 6 面体网格,材料模型调用 DEFORM 软件材料库中 AISI - 1045钢; 板坯与压模模具之间的摩擦按常剪切摩擦模型进行计算, 摩擦系数取 0. 25, 热传导系数按软件默认的 5 × 103 W/ (m2. K), 叶片压模模具和板坯有限元模型如图 3。

图 3 叶片热模压有限元模型

    3. 1 成型过程和压力吨位分析

    通过对水轮机叶片热模压成型过程的仿真分析, 不仅揭示了叶片模压成型规律, 同时也可从微观上控制叶片模压过程中的塑性变形。 图 4 反映了叶片热模压成型后叶片与模具的贴合情况, 图中叶片上深色圆点表示叶片与模具的接触点, 此状态表明叶片与模具完全贴合, DEFORM - 3D 将整个模压过程以过程控制步的方式呈现, 根据叶片与模具贴合情况控制模具下压的有效行程, 从而保证叶片在模压过程中不发生褶皱、 内部裂纹和断裂等缺陷。

图 4 叶片与压模贴模区域图

    叶片热模压的实际生产中, 合理的选择油压机设备有利于降低生成成本, 提高生产效率。 通过叶片热模压数值模拟, 可以得到叶片热模压成型的行程 - 载荷曲线。 从图 5 中可以看出, 在叶片成型的初始阶段, 由于叶片与模具接触的面积很小, 基本没有发生塑性变形, 因此需要的油压机压力非常小; 随着上模的下移, 模具与叶片的接触面积不断增大, 叶片塑性变形区域逐渐增大,因此压力吨位迅速增大, 这一趋势反映了实际模压情况; 当叶片板坯与模具完全贴合时, 叶片已模压成型, 此时即为叶片模压的最终压力吨位。

    本文中叶片模压成型时的压力为 1. 09 × 107 N, 换算成油压机的压力吨位为: 1 125 t。 根据叶片实际模压时油压机的压力表头记录可知, 叶片热模压成型需要实际的油压机压力吨位如图 6 油压机的压头压力所示, 说明本仿真结果与实际的压力载荷结果一致, 可有效地指导实际生产。

图 5 叶片模压行程载荷曲线


图 6 油压机压头压力

    3. 2 模压成型工艺参数优化设计

    模压成型工艺参数主要包括: 模压温度、 模压压力、 上模下压速度等。 本文在选取模压工艺参数时, 通过对叶片热模压模拟仿真的结果分析,并结合该厂叶片热模压的经验参数, 模压叶片最终选用工艺参数如下所示:

        模压压力/ t 1 200

        模压温度/ ℃ 1 000 ~ 1 200

        上模下压速度/ (mm·s- 1) 15 ~ 20

        环境温度/ ℃ 20

        摩擦系数 0. 25

        热传导系数/ [W·(m2·K)- 1] 5 × 103

    3. 3 叶片应力与回弹分析

    在叶片模压成型过程中, 由于叶片发生不均匀的塑性变形和温度的变化, 会产生残余应力。

    残余应力的存在不仅会降低叶片的强度, 同时还会造成叶片在成型后产生回弹变形甚至局部开裂等缺陷[5]。 通过 DEFORM - 3D 对叶片模压过程的仿真, 可得到叶片的应力分布情况, 如图 7(左)所示。 通过柱状图可知, 颜色较深的区域为叶片的残余应力集中区域, 分布在叶片下环出水边和进水边。 在此区域, 由于叶片的塑性形变较大, 导致残 余 应 力 分 布 不 均 匀, 最 大 拉 应 力 可 达163 MPa。 通过采取以下优化措施: ①在模压成型时, 优化上模下压速度; ②在热处理时, 模具结构优化设计, 在与叶片发生较大塑性变形区域所相对应的模具区域增加卸压孔, 减小或消除残余应力集中区域, 使应力均匀分布。 从图 7(右)柱状图和叶片应力分布可知, 整个叶片残余应力分布均匀, 可有效控制叶片回弹变形或局部因拉应力产生的裂纹, 保证叶片模压质量。

图 7 工艺优化前、 后叶片内应力分布图

    4 结语

    叶片热模压成形过程是一个复杂的金属塑性成型过程, 利用有限元软件对叶片热模压成型过程进行数值模拟仿真, 可以实现:

    (1)三维模拟叶片热模压成型过程, 使叶片热模压成型过程可视化, 揭示叶片热模压的成型规律;

    (2)可获取叶片热模压成型的行程-载荷曲线,通过控制叶片与模具的贴模率来设计叶片模压行程, 并得到油压机的模压压力, 有效指导模压成型工艺参数选择;

    (3)可分析得到叶片残余应力分布规律, 通过优化模具结构、 工艺参数等, 以达到减小或消除残余应力的目的, 从而有效保证叶片质量;

    (4)利用有限元软件对叶片热模压成型过程仿真, 减少了工艺试验的周期和成本, 给企业带来了一定的经济效益。

    参考文献(略)
标签:创新中国 虚拟现实 深圳
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