水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片預(yù)成形設(shè)計(jì)與有限元分析.pdf

1、轉(zhuǎn)輪葉片是水力發(fā)電機(jī)組中的核心部件，形狀復(fù)雜，尺寸厚薄不均，制造難度大。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃到生產(chǎn)試制等多個(gè)環(huán)節(jié)中都存在著技術(shù)瓶頸，傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)方法具有盲目性和試驗(yàn)周期長等缺點(diǎn)。本文基于數(shù)值模擬的方法，系統(tǒng)研究了轉(zhuǎn)輪葉片熱模壓成形過程，提出了新的設(shè)計(jì)思路和方法，完成了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的預(yù)成形工藝設(shè)計(jì)，建立了成形過程的有限元分析模型與多目標(biāo)優(yōu)化模型，并將計(jì)算結(jié)果、優(yōu)化結(jié)果與工廠試制結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析與驗(yàn)證。
　　 本文取得的主要研

2、究成果如下：
　　 針對(duì)X型轉(zhuǎn)輪葉片的參數(shù)化CAD模型，基于合模狀態(tài)下的共同坐標(biāo)，提出了新的水平基準(zhǔn)的定位方式：以葉片工作面的進(jìn)水邊與下環(huán)交點(diǎn)為原點(diǎn)，出水邊與上冠交點(diǎn)為X軸線點(diǎn)作為參考定位。針對(duì)熱模壓模具，建立了模具向冷卻水傳遞熱流的數(shù)學(xué)模型，求解了冷卻水流速度。為使整個(gè)成形過程中的模具溫度不低于300℃，冷卻水流速應(yīng)不低于970 mm/s。
　　 將基于理想變形理論的一步模擬法和基于相似原理的類等勢(shì)場法相結(jié)合，提出了一

3、種復(fù)合的預(yù)成形設(shè)計(jì)新方法。以一步模擬法反向計(jì)算外形輪廓尺寸，以類等勢(shì)場法正向計(jì)算特征截面厚度分布，建立了不等厚度變截面的葉片展開坯料模型。中面模型展開計(jì)算采用可以表征彎曲作用的薄膜/板殼混合單元，摒棄了傳統(tǒng)木模圖中關(guān)于特征截面的展開計(jì)算方法，提高了葉片預(yù)成形設(shè)計(jì)的精度與效率。
　　 為確保實(shí)際生產(chǎn)中壓力中心的波動(dòng)始終處于設(shè)定的公差范圍之內(nèi)，提出了一種基于剛塑性有限元法，通過計(jì)算實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)力獲取不等厚度板坯模壓成形過程中動(dòng)態(tài)壓力中心

4、的新算法。在DEFORM3D軟件上二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了該算法，給出了用戶坐標(biāo)系下壓力中心的變化規(guī)律，為壓力中心的優(yōu)化提供了必要的信息。
　　 基于金屬材料熱壓縮試驗(yàn)結(jié)果，以分段函數(shù)的形式，建立了0Cr13Ni5Mo材料的高溫流動(dòng)應(yīng)力模型。針對(duì)流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升階段和穩(wěn)態(tài)階段，分別采用了影響系數(shù)法和Arrhenius方程建立了應(yīng)力關(guān)于變形溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率的數(shù)學(xué)表達(dá)式。利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法分析并驗(yàn)證了新材料模型的可靠性。
　　

5、 考慮溫度對(duì)磨損模型中參數(shù)的影響，采用修正的Archard模型，分析了0Cr13Ni5Mo材料熱模壓模具的磨損情況，發(fā)現(xiàn)模具磨損最嚴(yán)重處都位于模具同葉片出水邊與下環(huán)相交的端部對(duì)應(yīng)處。分析發(fā)現(xiàn)：成形溫度對(duì)模具磨損的影響最為顯著。
　　 為了降低成形抗力與能耗成本，建立了葉片熱塑性加工多目標(biāo)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型，選取了變形溫度、應(yīng)變速率以及摩擦因子作為優(yōu)化變量，構(gòu)建了新的成形載荷子函數(shù)、能耗子函數(shù)、生產(chǎn)效率子函數(shù)。針對(duì)成形載荷子函數(shù)，

6、設(shè)計(jì)了析因試驗(yàn)，采用回歸分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，擬合其為包含交互效應(yīng)的完全二次多項(xiàng)式。針對(duì)能耗子函數(shù)與生產(chǎn)效率子函數(shù)，通過分析其計(jì)算方法，將能耗函數(shù)、效率函數(shù)分別歸納為各自對(duì)應(yīng)分量的和函數(shù)。利用線性加權(quán)和法，建立了評(píng)價(jià)函數(shù)，將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)非線性規(guī)劃問題。優(yōu)化后的最大成形載荷為6.21 MN，小于設(shè)備額定載荷10MN：成形能耗值由原設(shè)計(jì)的23 MJ降為18.63 MJ，降幅達(dá)19％；生產(chǎn)效率為39.67 min/件，較原工藝提高了