重型燃机压气机盘淬火应力场的计算机模拟

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压气机盘是重型燃机中的重要零件,在高转速、高温条件下工作,转速高达10 000~20 000r/min,在工作状态下,承受很大的应力,因此需要具有较高的持久性能和疲劳性能。而锻造以后的热处理制度对压气机盘锻件的持久性能、疲劳性能等技术指标有重要影响。通过计算机模拟技术,应用传热学和力学的基本原理预测锻件在淬火过程中的温度场、应力场的变化情况,可以有效地预测材料的组织和力学性能,防止零件的变形和开裂,优化热处理工艺。对于压气机盘类零件,由于尺寸较大、自身成本高,很难采用实体盘件来逐一摸索热处理工艺,因此,运用计算机模拟实践论文对其进行模拟分析就显得尤为重要。
热处理过程是一个传热与变形耦合的过程,并且其中涉及材料组织性能的变化,其规律十分复杂。要准确模拟这一过程,必须进行温度场-组织场-应力场的耦合运算[1,2]。本文采用通用有限元软件MSC.Marc,结合用户自定义子程序,对某重型燃机压气机盘淬火过程中应力场的分布及变化进行了研究,计算中同时考虑了组织转变对温度场及应力场的影响,并且在确定材料参数和传热系数方面进行了有关实验。该研究对等于控制和改进重型燃机压气机盘热处理工艺具有一定的指导意义。
模拟所用压气机盘为一大环形件,其直径约2m,由于工件是对称的,为简化计算,本文采用轴对称模型进行模拟计算。工件内部的初始温度场为1050℃,淬火介质温度为20℃。在热分析中,假设工件四周有相同的表面传热系数。在应力分析中,设工件的初始应力为零,压气机盘轮缘底面节点沿轴向位压气机盘所用钢种为一马氏体热强不锈钢示。
本文现场测试了同一钢种某调节环的锻后冷却过程,用激光测温仪测得了调节环表面某点的冷却曲线。根据实验所得的数据,不断地修正式(13)中的系数ε和μ,最后反推出符合实际的空气传热系数。根据大量的模拟计算和比较,最终表面辐射率ε取0·9,而系数μ为实验和最终计算值的比较。油冷和空冷的传热系数随工件表面温度的变化曲线。
压气机盘冷却过程中,会发生奥氏体向马氏体转变的固态相变,由于奥氏体的质量体积小于马氏体的质量体积,在固态相变时造成体积膨胀,与其他部位的变形不协调而形成组织应力,热应力与组织应力的共同作用使工件的内应力分布十分复杂,计算机研究生论文因为两者往往起着相反的作用。压气机盘轮缘部位厚度较大,并且形状不对称,在淬火过程中受力复杂,下面着重对轮缘部位在淬火过程中的受力状况进行分析。图6所示为压气机盘轮缘部位A、B、C三点在油冷过程中的轴向应力变化曲线,图7所示为压气机盘在油冷不同时刻沿厚度方向AC的瞬态轴向应力分布,当压气机盘在油中冷却至3600s时,相变完全结束,工件温度接近室温,此时的瞬态应力可视作残余应力。

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