叶片精锻过程三维热力耦合有限元模拟

发布时间：2017-03-21 17:02

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【摘要】： 叶片是航空发动机中一类量大面广的重要零件，精锻是叶片锻造的发展趋势。叶片精锻过程属于高温大变形过程，坯料与模具和环境之间存在着热交换，同时塑性变形功以及坯料和模具间的摩擦功不断转化为热能，其结果促使坯料内的温度场不断发生变化，进而影响到坯料的变形行为，并进一步影响锻件的微观组织及机械性能。因此采用三维热力耦合有限元数值模拟技术，研究叶片精锻成形规律，对制定叶片精锻工艺以及发展叶片精锻技术具有重要的理论意义和实用价值。本文的主要研究内容和结果如下： 对金属体积成形过程三维刚粘塑性热力耦合有限元模拟中的关键技术问题进行了研究，特别是针对减速因子β的选取，首次建立了适用于三维复杂成形过程刚粘塑性罚函数法有限元三次因子法的计算公式，并结合进退搜索法提出了改进的三次因子快速算法，提高了模拟计算效率和稳定性。 以叶片锻造三维刚粘塑性有限元模拟分析系统3D-PFS为平台，，发展了面向叶片精锻过程的三维刚粘塑性热力耦合有限元模拟分析系统3D-CTM(3-Dimensional Coupled Thermo-Mechanical Forming Simulation)。对圆柱体镦粗过程的应用表明，所开发的系统是可靠的。 针对单榫头叶片，建立了符合实际的三维刚粘塑性热力耦合有限元模型；利用3D-CTM系统进行了三维热力耦合模拟研究，揭示了单榫头叶片精锻成形规律，指出了温度在锻造过程中的重要作用；获得了不同变形速度、摩擦因子、模具温度和坯料锻造温度对单榫头叶片精锻过程的影响规律。 采用3D-CTM系统并与适用于TC4钛合金锻造晶粒尺寸预测模型相结合，对热力耦合作用下单榫头叶片精锻过程的晶粒尺寸进行了计算，获得了不同变形阶段、变形速度、摩擦因子和模具温度下的晶粒尺寸分布，分析了不同工艺参数对其晶粒尺寸的影响规律。
【关键词】：叶片精锻 刚粘塑性 热力耦合 三维数值模拟 成形规律 快速算法
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2002
【分类号】：TG316
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 引言10
• 1.2 文献评述10-15
• 1.2.1 叶片锻造技术的研究进展10-12
• 1.2.2 塑性加工中热力耦合有限元分析方法的研究进展12-14
• 1.2.3 塑性加工中微观组织模拟分析的研究进展14-15
• 1.3 选题的背景和意义15-16
• 1.4 本文的主要研究内容16-17
• 第二章 三维热力耦合有限元法求解的基本方程17-33
• 2.1 引言17
• 2.2 刚粘塑性基本假设与基本方程17-19
• 2.2.1 基本假设17-18
• 2.2.2 塑性力学基本方程18-19
• 2.3 刚粘塑性有限元法基本原理-Markov变分原理19-20
• 2.4 三维刚粘塑性有限元求解列式20-27
• 2.4.1 刚粘塑性有限元求解步骤20
• 2.4.2 离散化和线形化20-21
• 2.4.3 三维等参元列式21-23
• 2.4.4 单元等效应变速率矩阵23-25
• 2.4.5 单元刚度方程25-26
• 2.4.6 线形化处理26-27
• 2.5 三维塑性成形过程中传热问题的基本理论27-30
• 2.5.1 三维瞬态传热的基本方程27-28
• 2.5.2 初始条件和边界条件28-30
• 2.6 三维塑性成形过程中传热问题的有限元方程30-32
• 2.6.1 传热问题的变分原理30
• 2.6.2 传热方程的有限元离散化30-32
• 2.7 本章小节32-33
• 第三章 叶片精锻过程三维热力耦合有限元关键技术问题的处理及模拟系统的研发33-58
• 3.1 引言33
• 3.2 三维热力耦合有限元数值模拟中关键技术问题的处理33-44
• 3.2.1 摩擦边界条件的处理34-35
• 3.2.2 收敛性的研究35-39
• 3.2.2.1 减速因子的确定36-38
• 3.2.2.2 改进的减速因子快速算法38-39
• 3.2.2.3 收敛准则39
• 3.2.3 传热方程的时间积分39-40
• 3.2.4 辐射边界条件的处理40
• 3.2.5 热力耦合分析技术40-43
• 3.2.6 传热过程中的动态边界条件处理43-44
• 3.3 3D-CTM系统的适用范围和功能44-45
• 3.4 3D-CTM系统的结构和组成45-53
• 3.5 模拟系统可靠性的考核53-57
• 3.6 本章小节57-58
• 第四章 单榫头叶片精锻成形规律三维热力耦合有限元分析58-91
• 4.1 引言58
• 4.2 热力耦合有限元模型的建立和模拟条件58-60
• 4.3 结果与分析60-90
• 4.3.1 坯料的整体变形60-61
• 4.3.2 不同压下量下典型截面温度场和应力场分布61-67
• 4.3.2.1 榫头截面A-A的温度场和应力场分布61-63
• 4.3.2.2 叶身中间截面B-B的温度场和应力场分布63-65
• 4.3.2.3 叶身端部截面C-C的温度场和应力场分布65-67
• 4.3.3 载荷-行程曲线67-69
• 4.3.4 变形速度的影响69-74
• 4.3.5 摩擦因子的影响74-80
• 4.3.6 模具温度的影响80-85
• 4.3.7 锻造温度的影响85-90
• 4.4 本章小结90-91
• 第五章 热力耦合作用下叶片锻造晶粒尺寸的预测91-101
• 5.1 引言91
• 5.2 晶粒尺寸的计算模型91-92
• 5.3 叶片锻造过程中晶粒尺寸的变化92-94
• 5.4 不同工艺参数对叶片晶粒尺寸的影响94-100
• 5.4.1 变形速度的影响95-96
• 5.4.2 模具温度的影响96-98
• 5.4.3 摩擦因子的影响98-100
• 5.5 本章小结100-101
• 第六章 结论101-103
• 攻读硕士学位期间发表和待发表的论文103-104
• 致谢104-105
• 参考文献105-108

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 蔡旺,杨合,李从心;热力耦合作用下叶片锻造晶粒尺寸的预测[J];锻压技术;2004年06期

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3 蔡旺,杨合,刘郁丽,李从心;单榫头叶片精锻三维热力耦合有限元模拟[J];机械科学与技术;2005年02期

4 蔡旺,李从心,杨合,刘郁丽;单榫头叶片精锻成形规律三维热力耦合有限元模拟研究[J];重型机械;2005年02期

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4 胡加瑞;热加工对TiC颗粒增强钛基复合材料组织与性能的影响[D];中南大学;2011年

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7 金志博;基于有限元方法的镍基高温合金拉削性能研究[D];东北大学;2010年

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9 张建设;叶片精锻三维有限元反向模拟脱模准则的确定[D];西北工业大学;2006年

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