叶片模具服役中温度、应力及磨损过程模拟仿真与分析

发布时间：2017-09-04 03:04

  本文关键词：叶片模具服役中温度、应力及磨损过程模拟仿真与分析

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【摘要】：叶片形状复杂,通常是由不锈钢或镍基材料制成。不锈钢、镍基合金热膨胀系数大,导热能力小,高温变形难。为强迫该类材料变形,需用较大能量的锻压设备,加热较高温度,增加变形时间。和常用汽车锻件模具相比,叶片热锻模具的使用环境更加恶劣,导致其使用寿命普遍不高。为了能更好地研究热锻模具负荷情况,本文使用成形分析软件有限元软件对叶片热锻模具在锻压全过程进行温度场、应力场以及磨损量分布进行模拟。研究发现叶片坯料在叶根及叶冠处最先发生变形,且这些区域所对应的型腔在锻造结束时温度升高的幅度最大,而叶身中部温度变化幅度则较小。在锻造过程,从叶身中部型腔到桥部,等效应力逐渐降低。较大应力分布区域为叶身与叶根连接处所对应的型腔。整个热锻过程中,磨损先出现在叶根与叶身连接处所对应的型腔,最大磨损量和最大磨损率出现在桥部位置。本文模拟分析了不同工艺参数(即模具的预热温度、上模的下压速度,工件与模具之间的摩擦因子)对热锻模具温度场、应力场以及磨损量分布的影响。当模具预热温度上升时,下模在锻造完成时的温度会随之升高,下模温度上升的幅度越小,下模型腔的等效应力将随之下降。上模下压速度越快,锻造过程耗时越短,下模型腔表面温度也就随之下降,而下模型腔表面的等效应力会随上模的下压速度的增大而增大。当叶片坯料与下模之间的摩擦因子增大时,下模型腔的温度略有升高;而当摩擦因子增大时,下模型腔的等效应力随之增大,且增大幅度较大。研究发现,在热锻过程中,叶片金属流动速度的变化是对模具表面磨损量和磨损率的变化产生影响的主要因素。模具预热温度的升高会使模具终锻最高温度与叶片坯料金属流动速度均呈增大,并且过高的预热温度会导致润滑剂的性能有所下降,增大模具的磨损量,在保证模具具有足够硬度和韧性的情况下,应尽量降低模具预热温度;上模下压速度的增大会导致模具与坯料之间的热交换与磨擦情况发生变化:上模下压速度较慢时,导致模具与坯料热交换时间较长,模具表面热效应严重,造成磨损;当上模下压速度较快时,模具表面摩擦开始加剧,造成磨损,应适当控制成形速度,以保证模具的寿命;下模与叶片坯料表面之间的摩擦因子对模具的磨损量影响较大,摩擦因子较小时,摩擦因子增大会阻碍叶片坯料金属流动,导致磨损量下降;但摩擦因子较大时,模具与坯料表面的摩擦逐渐加剧,叶片金属流动速度又开始提高,同时模具表面温度也比较高,导致模具磨损量增大。此研究分析得到的叶片模具在锻压全程的应力、温度及磨损数据,可进一步用于进行模具堆焊修复的指导等。
【关键词】：叶片热锻模具 数值模拟 模具失效 温度场与应力场分析 磨损量分析
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG315.2;V263
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 引言14-15
• 1.2 叶片热锻模具常见失效形式15-17
• 1.2.1 断裂失效15
• 1.2.2 磨损失效15-16
• 1.2.3 塑性变形失效16
• 1.2.4 热疲劳失效16
• 1.2.5 叶片热锻模具失效资料收集16-17
• 1.3 叶片锻造数值模拟技术的研究现状及其发展17-20
• 1.3.1 国内外研究现状及其发展17-19
• 1.3.2 叶片锻造数值模拟技术国内外研究现状存在的问题19-20
• 1.4 课题主要研究内容及技术路线20-22
• 1.4.1 课题主要研究内容20-21
• 1.4.2 课题研究技术路线21-22
• 第二章 叶片成形过程模具温度、应力及磨损模拟基本理论22-37
• 2.1 前言22
• 2.2 热锻模具的温度场22-23
• 2.2.1 锻模热传导微分方程22
• 2.2.2 初始条件和边界条件22-23
• 2.3 热锻模具的应力23-24
• 2.3.1 热锻模具的热应力23
• 2.3.2 热锻模具的机械应力23
• 2.3.3 热锻模具的综合等效应力23-24
• 2.4 刚塑性有限元理论简介24-25
• 2.4.1 概述24
• 2.4.2 刚塑性材料的基本假设24
• 2.4.3 刚塑性材料的基本方程[54-56]24-25
• 2.5 模具磨损基本理论25-31
• 2.5.1 模具界面接触25-26
• 2.5.2 磨损类型26
• 2.5.3 磨损过程26-27
• 2.5.4 磨损计算模型27-30
• 2.5.4.1 磨损量的定义27-28
• 2.5.4.2 磨损计算模型28-30
• 2.5.5 磨损有限元理论基础30-31
• 2.5.5.1 Mises屈服准则30
• 2.5.5.2 接触法则30
• 2.5.5.3 静力隐式求解法30-31
• 2.6 模具磨损的影响因素31-32
• 2.7 叶片热锻模具工况条件及特点32-33
• 2.7.1 叶片成形锻造设备32
• 2.7.2 叶片热锻模具工况特点32-33
• 2.8 叶片热锻模具结构及性能要求33-37
• 2.8.1 叶片结构及其材料力学性能33-34
• 2.8.2 叶片模具结构及模具钢性能34
• 2.8.3 叶片模具加工工艺34-36
• 2.8.4 叶片模具使用性能要求36-37
• 第三章 叶片热锻模具应力场、温度场数值模拟分析与实验研究37-55
• 3.1 引言37
• 3.2 建立有限元模型37-39
• 3.2.1 几何模型的导入37-38
• 3.2.2 网格划分38-39
• 3.2.3 模拟参数设置39
• 3.3 模具温度场分析39-41
• 3.4 模具应力场分析41-43
• 3.5 模具应力场、温度场数值模拟与模具实际失效对比实验43-46
• 3.6 叶片模具变形与开裂失效机制实验研究46-54
• 3.6.1 叶片模具断裂失效检测分析46-51
• 3.6.1.1 化学成分检测分析46
• 3.6.1.2 开裂失效模具检测分析46-48
• 3.6.1.3 开裂模具显微组织观察48-50
• 3.6.1.4 断口微观观察50-51
• 3.6.2 叶片模具开裂失效分析51-53
• 3.6.2.1 材料因素分析51
• 3.6.2.2 微观组织分析51-52
• 3.6.2.3 模具应力分析52-53
• 3.6.3 模具断裂失效预防措施53-54
• 3.7 本章小结54-55
• 第四章 不同工艺参数下模具的应力场、温度场数值模拟实验55-64
• 4.1 引言55
• 4.2 预热温度对模具温度场、应力场的影响55-58
• 4.3 上模下压速度对模具温度场、应力场的影响58-60
• 4.4 摩擦因子对模具温度场、应力场的影响60-63
• 4.5 本章小结63-64
• 第五章 叶片热锻模具的磨损模拟分析与实验研究64-78
• 5.1 引言64
• 5.2 建立有限元模型64-66
• 5.2.1 几何模型的导入64-65
• 5.2.2 网格划分65-66
• 5.2.3 模拟参数设置66
• 5.3 模具磨损量分析66-68
• 5.4 模具磨损率分析68-69
• 5.5 磨损量影响因素分析69-73
• 5.5.1 模具表面温度分析69-70
• 5.5.2 模具表面应力分析70-71
• 5.5.3 叶片金属流动速度分析71-72
• 5.5.4 综合结果分析72-73
• 5.6 模具磨损数值模拟与模具实际失效对比实验73-75
• 5.7 叶片模具磨损失效机制实验研究75-77
• 5.7.1 硬度分析75-76
• 5.7.2 显微组织分析76
• 5.7.3 模具磨损失效原因分析76-77
• 5.8 本章小节77-78
• 第六章 不同工艺参数下的模具磨损数值模拟实验78-84
• 6.1 引言78
• 6.2 模具预热温度对磨损量的影响78-80
• 6.3 上模下压速度对磨损量的影响80-81
• 6.4 摩擦因子对磨损量的影响81-83
• 6.5 本章小结83-84
• 第七章 总结与展望84-86
• 7.1 课题总结84-85
• 7.2 展望85-86
• 参考文献86-90
• 致谢90-91
• 攻读硕士学位期间发表或已完成的学术论文91

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：788941