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文檔簡介
1、針對航空發(fā)動機整體葉盤的焊接變形問題,從理論研究和虛擬優(yōu)化兩個方面對該課題進行了討論和分析,理論研究部分主要圍繞目前焊接界學者爭論的焦點問題即焊縫究竟是存在拉伸塑性應變還是壓縮塑性應變展開分析,建立了薄板熔焊對接接頭的有限元模型,對焊接過程中塑性應變的瞬態(tài)變化情況進行了全面的分析,重點分析了熔化現(xiàn)象存在是否使熔池前沿低溫區(qū)對高溫區(qū)產生的壓縮塑性應變發(fā)生改變,揭示了金屬的熔化并不會導致周圍固態(tài)金屬對其產生的幾何約束,就其縱向尺寸而言,熔化
2、的金屬在縱向的尺寸仍維持在其熔化前的水平,這可以看成是壓縮塑性變形被保留下來的一種等效形式。并詳細分析了同一橫截面上熱影響區(qū)內各點與焊縫中心點的塑性應變的瞬態(tài)變化情況,結果表明熱影響區(qū)內各點的產生拉伸過程相對滯后于焊縫中心,離焊縫中心越遠滯后的時間越長,這對焊縫產生壓縮塑性應變的有著重要的貢獻。分析后否定了焊縫存在拉伸塑性應變的觀點,并將這一結論應用于航空發(fā)動機整體葉盤的虛擬優(yōu)化設計,為航空發(fā)動機整體葉盤的焊接變形控制問題提供了數(shù)值上的
3、依據(jù)和理論上的指導。
此外,對D.拉達伊教授提出的移動熱源準穩(wěn)態(tài)溫度場的塑性區(qū)和局部應力應變循環(huán)原理圖進行了修改,分別分析了焊接瞬態(tài)過程的彈性應變和塑性應變的分布,發(fā)現(xiàn)彈性應變和塑性應變的變化非常復雜,如果粗略地將其分為壓縮塑性變形區(qū)、拉伸塑性變形區(qū)、彈性卸載區(qū)和熔池等四個部分,無法準確地定位彈塑性應變的分布特征,因此根據(jù)有限元分析的結果,對該原理圖進行了重新劃分,新的熱彈塑性應力應變原理圖由彈性喪失區(qū)、壓縮塑性區(qū)、熔池、彈性
4、卸載區(qū)、拉伸塑性區(qū)、彈性恢復區(qū)和拉伸彈性變形區(qū)組成?;谛碌膽冊韴D,針對航空發(fā)動機體積較大,焊后熱處理消應力效果不好的特點,提出了動態(tài)循環(huán)加熱消應力焊接新技術,該技術操作簡單,易于實現(xiàn),生產效率高,消除應力效果較好。
航空發(fā)動機整體葉盤的焊接由于焊道較多,過程復雜,運用常規(guī)的焊接操作手段獲得高質量、高性能的葉盤存在很大的難度,如果完全通過實驗的方法獲取殘余應力和變形規(guī)律雖然準確,但是將耗費巨額成本,因此借助有限元方法,
5、采用大型工程軟件MSC.Marc對航空發(fā)動機的不同的優(yōu)化方案的殘余應力場和變形情況進行了數(shù)值分析,而電子束焊接與其他焊接方法相比由于深寬比較大,普通的熱源模型無法實現(xiàn)這一過程,雖然過去材料計算的專家和學者推導了許多的熱源模型,但是不是無法達到深熔的效果就是沒有解決熔池前后能量分配的問題,而航空發(fā)動機整體葉盤對于變形的控制非常嚴格,為得到準確的計算結果,構建了橢圓沿深度方向衰減的雙橢圓衰減體新型熱源模型,其優(yōu)點在于不僅能實現(xiàn)以往電子束模型
6、的深熔效應和匙孔效應,而且表征了熔池前后能量的分配,并根據(jù)兩橢圓相交截面熱流密度相同的特點,推導出了熔池前后能量的分布與兩隨圓長半軸成正比,通過改變公式中的參數(shù)可以實現(xiàn)雙橢圓衰減體熱源模型向圓柱型、類雙橢球、面熱源模型的轉化。
在虛擬優(yōu)化的方案中,首先,根據(jù)焊接路徑所經歷的深度不同,提出了采用功率隨深度變化的方法減少熱輸入來控制航空發(fā)動機葉盤的焊接殘余應力和變形,在一定厚度內,推導了功率和熔深之間近似呈線性關系,并采用插值法確
7、定了電子束焊接鈦合金熔深系數(shù)的數(shù)值,對兩種不同功率所產生的變形的計算結果表明,采用線性變化功率控制熱輸入的方法使各向殘余應力和變形均有所減??;其次,對于引弧環(huán)和收弧環(huán)在焊接過程中產生的剛度拘束效應和變形轉移進行了分析,如果采用適當?shù)囊…h(huán)和收弧環(huán)的長度,使剛度拘束效應和變形轉移達到最佳匹配將可以減小航空發(fā)動機的焊接變形,因此利用夾逼定理的方法,對引弧環(huán)和收弧環(huán)不同長度進行了計算,逐漸縮小最佳值范圍,獲得了引弧環(huán)和收弧環(huán)的最佳臨界區(qū)間;第
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