航空發(fā)動機整體葉盤焊接變形的理論研究與虛擬優(yōu)化.pdf

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(jìn)行了討論和分析，理論研究部分主要圍繞目前焊接界學(xué)者爭論的焦點問題即焊縫究竟是存在拉伸塑性應(yīng)變還是壓縮塑性應(yīng)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(yīng)變的瞬態(tài)變化情況進(jìn)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(chǎn)生的壓縮塑性應(yīng)變發(fā)生改變，揭示了金屬的熔化并不會導(dǎo)致周圍固態(tài)金屬對其產(chǎn)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(xì)分析了同一橫截面上熱影響區(qū)內(nèi)各點與焊縫中心點的塑性應(yīng)變的瞬態(tài)變化情況，結(jié)果表明熱影響區(qū)內(nèi)各點的產(chǎn)生拉伸過程相對滯后于焊縫中心，離焊縫中心越遠(yuǎn)滯后的時間越長，這對焊縫產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變的有著重要的貢獻(xiàn)。分析后否定了焊縫存在拉伸塑性應(yīng)變的觀點，并將這一結(jié)論應(yīng)用于航空發(fā)動機整體葉盤的虛擬優(yōu)化設(shè)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(dǎo)。
　　此外，對D.拉達(dá)伊教授提出的移動熱源準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場的塑性區(qū)和局部應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)原理圖進(jìn)行了修改，分別分析了焊接瞬態(tài)過程的彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變的分布，發(fā)現(xiàn)彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變的變化非常復(fù)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(zhǔn)確地定位彈塑性應(yīng)變的分布特征，因此根據(jù)有限元分析的結(jié)果，對該原理圖進(jìn)行了重新劃分，新的熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)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(fù)區(qū)和拉伸彈性變形區(qū)組成。基于新的應(yīng)力應(yīng)變原理圖，針對航空發(fā)動機體積較大，焊后熱處理消應(yīng)力效果不好的特點，提出了動態(tài)循環(huán)加熱消應(yīng)力焊接新技術(shù)，該技術(shù)操作簡單，易于實現(xiàn)，生產(chǎn)效率高，消除應(yīng)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(fù)雜，運用常規(guī)的焊接操作手段獲得高質(zhì)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(yīng)力和變形規(guī)律雖然準(zhǔn)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(yīng)力場和變形情況進(jìn)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(xué)者推導(dǎo)了許多的熱源模型，但是不是無法達(dá)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(yán)格，為得到準(zhǔn)確的計算結(jié)果，構(gòu)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(yīng)和匙孔效應(yīng)，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(dǎo)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(zhuǎn)化。
　　在虛擬優(yōu)化的方案中，首先，根據(jù)焊接路徑所經(jīng)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(yīng)力和變形，在一定厚度內(nèi)，推導(dǎo)了功率和熔深之間近似呈線性關(guān)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(chǎn)生的變形的計算結(jié)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(yīng)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(chǎn)生的剛度拘束效應(yīng)和變形轉(zhuǎn)移進(jìn)行了分析，如果采用適當(dāng)?shù)囊…h(huán)和收弧環(huán)的長度，使剛度拘束效應(yīng)和變形轉(zhuǎn)移達(dá)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(jìn)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