大型旋转部件的焊接残余应力数值模拟及寿命分析研究

发布时间：2017-11-22 09:11

  本文关键词：大型旋转部件的焊接残余应力数值模拟及寿命分析研究

  更多相关文章： 焊接转子 残余应力 疲劳 有限元 微缺陷

【摘要】：随着第三代核电、超超临界火电汽轮机等装备向着大型化、高参数(高温、高压)趋势发展,焊接工艺已成为转子等旋转部件制造的重要手段。然而,由于焊接过程中不可避免地引入残余应力及气孔、夹杂等微观缺陷,进而对结构的强度和服役安全性产生影响。另一方面,旋转构件服役过程中面临着启停、高温等复杂载荷历程,不仅使得设备产生疲劳、蠕变等机制下的损伤,其与焊接残余应力的耦合作用会对旋转构件服役寿命产生如何影响,目前仍是工程中亟需澄清的重要课题。本文以汽轮机焊接转子为对象,采用有限元方法系统研究了焊接残余应力的产生和分布规律,重点探讨了服役载荷历程如启停过程中疲劳、蠕变机制对残余应力松弛和重分布的影响。基于损伤和断裂理论,研究分析了残余应力对旋转构件寿命设计的影响。主要研究工作和结论如下：(1)采用热弹塑性有限元方法,分析研究了窄间隙多道焊接头的焊接残余应力分布及其影响因素。研究结果表明,焊接模拟过程中考虑固态相变因素,可以得到与实验测量值相符合的残余应力分布；焊接道数增加可减小热影响区范围,但并不改变焊缝残余应力的分布趋势；每道焊接后冷却时间延长,会使得残余应力峰值略为增加,但残余应力的影响范围明显减小。(2)基于疲劳和断裂理论,研究了焊接旋转构件的疲劳强度考核和容限裂纹尺寸的有限元分析法,计算得到了焊接转子的高周、低周疲劳寿命和临界裂纹尺寸分布。结果表明：分别采用Mises应力和最大主应力两种等效应力时,计算得到的焊接转子疲劳寿命差别不明显；焊接转子焊缝内腔的圆角处疲劳寿命最低,是疲劳强度的最薄弱区域；计算温度-机械载荷下的转子疲劳寿命时,传统的等效应变法计算结果偏大,会带来非保守的结果,因而提出了基于等效应力的温度-机械耦合载荷下的疲劳寿命分析方法。(3)以焊接转子为对象,分析研究了焊接残余应力对焊接接头局部疲劳寿命的影响规律。结果表明：与不考虑焊接残余应力情况相比,焊接残余应力导致了热影响区的高周、低周疲劳寿命降低；由于残余压应力的存在,焊缝和母材区的局部疲劳寿命明显增加；相比于高周疲劳,残余应力对低周疲劳寿命的影响更显著。(4)基于热粘塑性本构模型,研究了焊接转子残余应力在服役条件下(包括启停疲劳和高温蠕变)的松弛和重分布规律。研究结果表明：由于应力叠加和高温下屈服强度的降低,启停工况下会使得焊接残余应力发生松弛(拉应力降低)和重分布；相比于疲劳机制,稳态工况下蠕变导致的焊接残余应力松弛效应更加显著；焊缝愈靠近于进汽口部位,焊缝区的工作温度愈高,导致的残余应力松弛程度更大；蠕变机制下,较短保载时间内焊接残余应力就会发生显著松弛,然而进一步延长保载时间并不能一直降低残余应力。(5)采用有限元方法研究了焊接微缺陷(气孔、夹杂)处的应力集中行为,系统讨论了夹杂性能、位置、夹杂群及加载条件等因素的影响。研究发现,考虑材料的弹塑性行为后,传统基于单一的应力集中系数Kt不能表征焊缝微缺陷(气孔、夹杂)处萌生疲劳裂纹的驱动力,进而提出了表征应力-应变耦合集中效应的参量-Kp系数。基于应力-应变耦合集中系数Kp,较好解释了为何低周疲劳时裂纹容易在试件表面萌生,而低应力下疲劳裂纹更易起裂于试件内部。进一步的研究表明：基体与夹杂材料之间弹性模量的差别越大,产生的局部应力集中越大；相比于焊缝中的夹杂物,气孔更易导致疲劳裂纹的萌生；多个缺陷的局部应力场会发生耦合强化,其耦合效应与缺陷的排列和加载方向有关；基体材料的循环塑性软化会导致气孔周围的应力集中系数显著降低,但对硬夹杂周围应力集中的影响不明显。
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK263.61

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本文编号：1214182