不锈钢叶轮热处理变形的计算机模拟

发布时间：2017-07-01 19:26

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【摘要】：对于尺寸较大、几何形状复杂的核主泵不锈钢叶轮,热处理后常常会引起叶轮局部发生开裂或尺寸变化超出限度范围,使不锈钢叶轮需要经过多次热处理、机械加工、甚至直接报废处理,造成产品生产成本的提高以及生产周期的延长。通过对不锈钢叶轮热处理过程进行数值仿真模拟分析,可以使我们得到叶轮内部在热处理过程中的应力场、应变场以及温度场的分布规律,能够预测其在成型过程中有可能产生的缺陷以及经过热处理后叶轮特定部位尺寸的变化量,从而可以为科研人员进行不锈钢叶轮热处理的工艺分析与工艺优化设计提供科学的依据。本文论述了热处理数值模拟技术以及其发展现状,基于DEFORM热处理软件建立了不锈钢叶轮热处理模拟有限元模型,包括参数的选定,单元类型的选取,网格的划分,边界条件的设定等,并研究热应力与组织相变相耦合的模拟系统。以相关不锈钢热处理工艺为基础,模拟并分析了300℃、400℃、500℃三种不同装炉温度以及100℃/h、125℃/h、150℃/h三种不同加热速度对升温过程中最大应力曲线的影响,研究表明:当装炉温度为400℃、加热速度为125℃/h时,升温过程中产生的最大应力值658MPa,最接近且未超过材料在该温度下的屈服强度,该热处理工艺在保证了热处理效果的前提下,最大程度地缩短了叶轮在炉内热处理时间,提高了热处理设备的使用效率,同时避免了过大塑性变形的产生;冷却时采用正火的热处理方式,空冷过程中出现的最大应力值为802MPa,位置在叶轮叶片的根部,此时温度为454℃,未超过此材料在该温度下的抗拉强度860MPa,叶片根部不会出现开裂。制定相应的热处理工艺分析热处理工艺对叶轮不同位置的温度场、应力场以及组织演变的影响;利用组织-温度-应力三场耦合的分析方法,得到热处理后叶轮的最大变形量为叶轮的最大直径尺寸变化量3.9mm,并探讨组织相变对于变形的影响,结果表明叶轮的变形为热应力与组织应力共同作用下的结果,不可忽略组织转变的影响因素。采用实验的方法对模拟结果进行了验证,验证结果显示真实值与模拟值最大误差不足0.5mm,验证了模拟结果的可靠性。该研究对于复杂工件的热处理工艺的选择及变形预测具有一定的指导意义。
【关键词】：热处理 热应力 组织 有限元 数值模拟
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG162.7
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 不锈钢应用与热处理9-10
• 1.2 热处理过程模拟技术研究现状10-16
• 1.2.1 热处理计算机模拟的应用与发展11-12
• 1.2.2 热处理过程的数值模拟12-14
• 1.2.3 国内外热处理模拟技术的发展14-15
• 1.2.4 热处理过程数值模拟存在的主要问题和发展方向15-16
• 1.3 课题研究的背景及意义16-17
• 1.4 本文的主要研究内容17-18
• 第2章 热处理过程数值模拟的理论基础18-25
• 2.1 热传导的理论18-20
• 2.1.1 三种基本的热传递方式18-19
• 2.1.2 有限元求解温度场的理论19-20
• 2.2 热力耦合问题的研究20-22
• 2.2.1 热力耦合问题的特征20
• 2.2.2 热力耦合分析方法20-21
• 2.2.3 热力耦合热传导方程和耦合的本构方程21-22
• 2.3 热处理中组织转变的问题22-23
• 2.4 热处理工艺制定基本方法23-25
• 第3章 热处理过程中应力与热处理后变形数值模拟25-56
• 3.1 DEFORM软件简介25-26
• 3.2 热应力数值模拟前处理26-30
• 3.2.1 叶轮三维实体造型26
• 3.2.2 有限元网格划分26-28
• 3.2.3 材料的物性参数28-29
• 3.2.4 边界条件的设置29-30
• 3.3 热处理工艺试验方案30-32
• 3.3.1 装炉温度方案31
• 3.3.2 加热速度方案31-32
• 3.3.3 冷却速度方案32
• 3.4 热处理工艺方案模拟结果32-39
• 3.4.1 装炉温度对应力的影响32-36
• 3.4.2 加热速度对应力的影响36-39
• 3.5 热处理工艺方案分析39-56
• 3.5.1 应力场、温度场分析41-45
• 3.5.2 组织转变分析45-51
• 3.5.3 变形分析51-56
• 第4章 模拟结果实验验证56-59
• 4.1 核主泵不锈钢叶轮实体尺寸测量56-57
• 4.2 误差分析57-59
• 第5章 结论59-60
• 参考文献60-64
• 致谢64

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本文编号：507202