基于ansys斷裂力學(xué)理論的混流式轉(zhuǎn)輪焊接過程分析

1、www. o 2 f基于an sys斷裂力學(xué)理論的混流式轉(zhuǎn)輪焊接過程分析1前言隨著斷裂力學(xué)理論打?qū)嶒?yàn)的不斷發(fā)展,使得結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的分析及設(shè)計(jì)發(fā)展 到可以進(jìn)行斷裂和損傷的分析及設(shè)計(jì)，使得許多過去僅能定性分析的問題達(dá)到定量的計(jì)算。早在上個世紀(jì)八十年代末期，國外已經(jīng)運(yùn)用斷裂力學(xué)的理論解決工程中的實(shí)際問題。例如：挪威 kavaner公司在我國魯布革水電站轉(zhuǎn)輪葉片與上冠z間就是采用預(yù)留焊縫方法進(jìn)行連接的;法國 alstom公司在三峽左岸電站轉(zhuǎn)輪的制造過程中，也運(yùn)用斷裂力學(xué)的理論分析研究，最終確立轉(zhuǎn)輪葉 片與上冠z間采用預(yù)留焊縫的方法進(jìn)行連接。在國內(nèi)，h前混流式轉(zhuǎn)輪葉片與上冠(或下環(huán))z

2、間焊接 時仍沒有采用預(yù)留焊縫的焊接方法。木文運(yùn)用斷裂力學(xué)理論，結(jié)合混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)，確立了轉(zhuǎn)輪葉片與上冠或下 環(huán)z間采川部分焊透預(yù)留焊縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子分析模型，為今后在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片與上冠(或卜-環(huán)) z間采用部分焊透提供理論和工程依據(jù)。斷裂力學(xué)失效判據(jù)與經(jīng)典強(qiáng)度失效判據(jù)不同的是：它不是以危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度，而是以裂紋的應(yīng) 力強(qiáng)度因子(ki, kii, kill等)作為參考。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到或超過材料的裂紋擴(kuò)展門檻值(akth) 時，裂紋開始緩慢擴(kuò)展;當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到或超過臨界值(kic)時，裂紋開始失穩(wěn)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷 裂，如圖1所示。在確定轉(zhuǎn)輪葉片與上尬或下環(huán)預(yù)留焊縫長

3、度時，就是控制預(yù)留焊縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度 因了在無裂紋擴(kuò)展區(qū)域，使得轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行過程中預(yù)留焊縫不擴(kuò)展，從而保證機(jī)紐的安全運(yùn)行。0-5o .o1a 1x?:<三二#逹&舉o-3io-910衛(wèi)小100© com cn1050應(yīng)力強(qiáng)度因子變幅ak/mpa.ml:klnovc圖1.疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線在實(shí)際工程中，一般構(gòu)件的受載情況是復(fù)朵的，前生裂紋的位置和裂紋擴(kuò)展的方向受到應(yīng)力分布 的影響，裂紋尖端多處于復(fù)合型變形狀態(tài)。為了建立復(fù)合型裂紋的判據(jù)，我們關(guān)注的是裂紋的起裂條 件和起裂后擴(kuò)展的方向。根據(jù)最大周向拉應(yīng)力強(qiáng)度因子理論，對以得到：k sill% +kn(3cos00 -1) =

4、 00 0k cos(1 - 3cos 90) - kn sin(9cos60 +5) < 0聯(lián)立上述兩式，即可以確定開裂角b0,因此，斷裂準(zhǔn)則是：瓦皿=cos-kos-smoo =k臨界值kbc為材料的斷裂韌性。這就是最人周向拉應(yīng)力強(qiáng)度因了的斷裂準(zhǔn)則。它的優(yōu)點(diǎn)是形式 簡單，但缺點(diǎn)是不能區(qū)分平面應(yīng)變和平面應(yīng)力的不同情況。2應(yīng)力強(qiáng)度因子分析模型及邊界條件混流式轉(zhuǎn)輪葉片形狀復(fù)雜，在對其進(jìn)行預(yù)留焊縫應(yīng)力強(qiáng)度因了分析時，受結(jié)構(gòu)等因素的限制，無法運(yùn)用二維的應(yīng)力強(qiáng)度因子分析模型，因此，可將其簡化成：維的結(jié)構(gòu)形式。圖2為轉(zhuǎn)輪葉片與上冠 連接某一切開斷面的形狀。為了便于分析計(jì)算，可將其簡化成圖3的計(jì)算模

5、型。一般情況下，預(yù)留焊 縫長度t=b/3（b為葉片與上冠或卜-環(huán)相交處的厚度，不考慮過渡圜角），分析時考慮以下3種工況， 正常運(yùn)行工況;正常轉(zhuǎn)速下沒有水壓力工況;從正常轉(zhuǎn)速下沒有水壓力情況過渡到正常運(yùn)行工況 的應(yīng)力變化幅值。其中p和f2的確定方法如下：圖2葉片與上冠（或下環(huán)）切開的基木形狀 圖3葉片與上冠（或下環(huán)）計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子模型p的確定方法：取上述三種工況中葉片與上冠（或下環(huán)）相交相應(yīng)位置中間節(jié)點(diǎn)的最大法向應(yīng)力值;maxf2的確定方法：取上述三種工況小葉片與上冠（或卞環(huán)）相交相應(yīng)位置葉片正而節(jié)點(diǎn)的最大法向應(yīng)力值6l式中l(wèi);b如圖3所示。應(yīng)力強(qiáng)度因子分析的邊界條件如圖4所示。3實(shí)際算例下面

6、以某電站轉(zhuǎn)輪為例，簡耍闡述轉(zhuǎn)輪葉片與下環(huán)z間采用部分焊透預(yù)留焊縫長度確圧方法。取葉片與下環(huán)和交灰出水邊15%和距進(jìn)水邊15%的區(qū)域?yàn)椴捎貌糠趾竿割A(yù)留焊縫的焊接方法, 圖5為轉(zhuǎn)輪葉片與下環(huán)采用部分焊透區(qū)域示意圖。表1為轉(zhuǎn)輪葉片與下環(huán)z間采用部分焊透應(yīng)力強(qiáng)度因了計(jì)算的基本參數(shù);圖6為轉(zhuǎn)輪葉片與下環(huán) 相交血上法向應(yīng)力分布路徑圖;根據(jù)圖6的應(yīng)力分布圖以及前面介紹的拉應(yīng)力和彎曲力的求解方法， 可以求出采用部分焊透不同位置的拉應(yīng)力和彎曲力，詳見表仁圖4應(yīng)力強(qiáng)度因了計(jì)算邊界條件圖5轉(zhuǎn)輪葉片與卜環(huán)氷川部分焊透區(qū)域示意圖ansl«lsr«eim圖6轉(zhuǎn)輪葉片與下環(huán)相交法向應(yīng)力分布路徑圖表2為分

7、析計(jì)算結(jié)杲。從表2可知，如果該電站采用上述經(jīng)過斷裂力學(xué)計(jì)算的預(yù)留焊縫長度，貝u 在轉(zhuǎn)輪運(yùn)行過程中預(yù)留焊縫不會擴(kuò)展。表1應(yīng)力強(qiáng)度因了計(jì)算棊本參數(shù)切開斷面l/mmcr/mmb'/mma/mmt'/mmp/mpaf/n1-13202052.8580.091102612.99125.272-23882053.0697.031103214.46179.303-35002054.10125.061104115.0929659149110497.3336504172.3611057439367.706-67772068.30194.35

8、110642.66376.397-78292080.02207.32110694.56348.568-88602100.13215.0811071205.67498632116.48215.7611071h0kt稱參見圖2.表2應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果悔天開關(guān)機(jī)信況正常運(yùn)行匸況切開斷面裂紋擴(kuò)施灼度/ 度ak mpani裂紋不擴(kuò)展的安全系數(shù)aat ip a 4m裂紋不擴(kuò)展的安全丟故a1-134一433.371.930.613.222-2-28.704.411.480.802.463-3 32.085.771.131.051.884-4-33.074.601.410.842.365-5-35.453.791.720.692.866-6 39.273.232.010.593.367-7 33.733.551.840.643.068-8-19.083.401.920.623.199-9-10.593.811.710.692.85裂紋擴(kuò)展門檻值6.52c cam nnydnovc a4結(jié)束語轉(zhuǎn)輪葉片與下環(huán)（或上冠）之間采用部分焊透預(yù)留焊縫的優(yōu)點(diǎn)是：焊接過程中不用進(jìn)行清根處理， 這