航空发动机机匣焊接应力模拟与工艺优化

发布时间：2017-08-09 08:09

  本文关键词：航空发动机机匣焊接应力模拟与工艺优化

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【摘要】：航空发动机薄壁机匣结构复杂,焊接过程焊道较多,并且涉及到多种焊接工艺过程,焊后产生残余应力在所难免。焊接后所产生的残余应力会直接影响到整个焊件的刚度、接头的疲劳强度、零件的尺寸精度和使用寿命等。因此,如何根据工艺条件准确地预测焊接结构残余应力,并且提出相应的控制措施,对航空发动机的使用安全性有着重要的意义。本文是基于数值模拟和实验相结合的方法,深入研究扫描电子束焊和TIG焊焊接机匣过程中的应力分布和应力的控制方法,先以2mm厚的GH4169薄板作为研究对象,对其进行数值模拟,并结合实验验证。采用有限元软件SYSWELD对航空发动机薄壁机匣的典型接头进行数值模拟,修正和校核出合理的扫描电子束焊和TIG焊热源模型,模拟出扫描电子束焊和TIG焊焊接2mm厚的GH4169平板的熔池形貌、温度场与应力场。使用“双椭球热源+3D高斯体热源”组成的复合热源模型模拟扫描电子束焊接过程和使用校核后的双椭球热源模型模拟TIG焊的焊接过程,对平板使用实际的焊接工艺参数进行了试验,实际焊接的熔池形貌和模拟结果十分吻合,证明了热源的正确性。使用超声波测应力法测量焊后板件的残余应力值,并对比实际测得结果与模拟结果。残余应力的模拟结果和实测结果有相似的分布规律,误差范围在10%左右,模拟结果与实际的焊接情况很相符,证明了模拟结果是正确的。使用上述修正和校核准确的热原模型模拟不同工艺方案焊接机匣部件的过程。研究结果表明:焊接方向的改变对控制焊后残余应力没有明显的效果,而焊缝二次低温加热工艺措施可以有效的降低焊后的残余应力,降低幅度达到20%左右。对航空发动机薄壁机匣整体结构在优化后的焊接工艺下进行焊接模拟,得到了最终应力场和变形的模拟结果,其纵向残余拉应力最大值为657MPa,主要存在于焊缝区域和近焊缝区域,此区域也是整个机匣结构的危险区域。最大变形量为0.0045,符合实际的生产要求。此模拟结果为实际的航空发动机机匣的生产过程提供了理论依据与数值参考。
【关键词】：薄壁机匣 高温合金GH4169 扫描电子束焊 TIG焊 残余应力
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V263
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 研究目的和意义12-13
• 1.2 焊接结构残余应力的国内外研究现状13-16
• 1.3 电子束焊研究现状16-17
• 1.4 本文主要研究内容17-18
• 第2章 热源修正与对接接头焊接温度场的模拟18-34
• 2.1 接头宏观形貌18-19
• 2.2 有限元软件SYSWELD简介19-20
• 2.3 材料属性以及焊接工艺参数20-22
• 2.3.1 GH4169合金材料属性20-21
• 2.3.2 焊接工艺参数21-22
• 2.4 温度场计算理论22
• 2.5 网格划分22-23
• 2.6 热源模型的选择23-27
• 2.6.1 TIG焊的热源模型24-25
• 2.6.2 扫描电子束焊的热源模型25-27
• 2.7 对接接头温度模拟结果27-32
• 2.7.1 TIG焊温度模拟结果27-30
• 2.7.2 扫描电子束焊温度模拟结果30-32
• 2.8 本章小结32-34
• 第3章 焊接应力场的模拟与试验验证34-50
• 3.1 应力场分析基本理论34-37
• 3.1.1 米塞斯（Von Mises）屈服准则35-36
• 3.1.2 流动准则36-37
• 3.1.3 强化准则37
• 3.2 热弹塑性有限元分析求解理论37-39
• 3.3 材料的力学性能参数39-40
• 3.4 应力场模拟结果40-45
• 3.4.1 TIG焊应力模拟结果40-43
• 3.4.2 扫描电子束焊应力模拟结果43-45
• 3.5 焊接残余应力的试验验证45-49
• 3.5.1 测残余应力的方法45-46
• 3.5.2 超声波测残余应力设备和测试方法46-47
• 3.5.3 实验测量结果和模拟结果的对比与分析47-49
• 3.6 本章小结49-50
• 第4章 不同工艺对机匣部件焊接应力的影响50-62
• 4.1 支板与支板头焊接过程的模拟50-55
• 4.1.1 支板和支板头的网格划分50
• 4.1.2 降低残余应力的工艺方案的选择50-52
• 4.1.3 三种不同工艺下支板和支板头的模拟结果52-55
• 4.2 支板头与腹板焊接过程的模拟55-61
• 4.2.1 支板头和腹板的网格划分55-56
• 4.2.2 降低残余应力的工艺方案的选择56-57
• 4.2.3 三种不同工艺下支板头和腹板的模拟结果57-61
• 4.3 本章小结61-62
• 第5章 薄壁机匣结构的整体焊接模拟与验证62-69
• 5.1 整体机匣的网格划分62-63
• 5.2 机匣焊接工序63-64
• 5.3 整体机匣结构的焊接应力场结果64-66
• 5.4 整体机匣实际应力测量结果与模拟结果的对比66-67
• 5.5 整体机匣结构的焊后变形量67
• 5.6 本章小结67-69
• 结论69-72
• 参考文献72-75
• 致谢75-76
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：644238