基于ansys斷裂力學(xué)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(xué)理論的混流式轉(zhuǎn)輪焊接過程分析斷裂力學(xué)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(xué)理論與實(shí)驗(yàn)的不斷發(fā)展，使得結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的分析及設(shè)計(jì)發(fā)展到可以進(jìn)行斷裂和損傷的分析及設(shè)計(jì)，使得許多過去僅能定性分析的問題達(dá)到定量的計(jì)算。早在上個(gè)世紀(jì)八十年代末期，國外已經(jīng)運(yùn)用斷裂力學(xué)的理論解決工程中的實(shí)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(yù)留焊縫方法進(jìn)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(yùn)用斷裂力學(xué)的理論分析研究，最終確定轉(zhuǎn)輪葉片與上冠之間采用預(yù)留焊縫的方法進(jìn)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(shí)仍沒有采用預(yù)留焊縫的焊接方法。本文運(yùn)用斷裂力學(xué)理論，結(jié)合混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)，確定了轉(zhuǎn)輪葉片與上冠或下環(huán)之間采用部分焊透預(yù)留焊縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子分析模型，為今后在水輪機(jī)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(xué)失效判據(jù)與經(jīng)

3、典強(qiáng)度失效判據(jù)不同的是：它不是以危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度，而是以裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子(KI，KII，KIII等)作為參考。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到或超過材料的裂紋擴(kuò)展門檻值(ΔKTH)時(shí)，裂紋開始緩慢擴(kuò)展當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到或超過臨界值(KIC)時(shí)，裂紋開始失穩(wěn)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂，如圖1所示。在確定轉(zhuǎn)輪葉片與上冠或下環(huán)預(yù)留焊縫長(zhǎng)度時(shí)，就是控制預(yù)留焊縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子在無裂紋擴(kuò)展區(qū)域，使得轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行過程中預(yù)留焊縫不擴(kuò)展，從而保證機(jī)組的安全運(yùn)行。混流式轉(zhuǎn)輪

4、葉片形狀復(fù)雜，在對(duì)其進(jìn)行預(yù)留焊縫應(yīng)力強(qiáng)度因子分析時(shí)，受結(jié)構(gòu)等因素的限制，無法運(yùn)用三維的應(yīng)力強(qiáng)度因子分析模型，因此，可將其簡(jiǎn)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(jì)算，可將其簡(jiǎn)化成圖3的計(jì)算模型。一般情況下，預(yù)留焊縫長(zhǎng)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(shí)考慮以下3種工況，①正常運(yùn)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(yùn)行工況的應(yīng)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(jì)算應(yīng)力強(qiáng)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(yīng)位置中間節(jié)點(diǎn)的最大法向應(yīng)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(yīng)位置葉片正面節(jié)點(diǎn)的最大法向應(yīng)力值。式中LB如圖3所示。應(yīng)力強(qiáng)度因子分析的邊界條件如圖4所示。3實(shí)際算例實(shí)際算例下面以某電站轉(zhuǎn)輪為例，簡(jiǎn)要闡述轉(zhuǎn)輪葉片與下環(huán)之間采用部分焊透預(yù)留焊縫長(zhǎng)