渦輪盤閉模鍛造過(guò)程的熱力耦合分析

1、渦輪盤閉模鍛造過(guò)程的熱力耦合分析摘要渦輪盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)零部件之一，其性能好壞將影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。因此，渦輪盤鍛件必須具有良好的高溫強(qiáng)度和低周疲勞性能。利用MSC.MARC軟件對(duì)高溫合金IN718合金渦輪盤閉模鍛造過(guò)程建立有限元模型，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：渦輪盤，閉模鍛造，MSC.MARC，IN718 AbstractTurbine disk is one of the key rotating components of aircraft engines, and its performance will affect the entire engines perform

2、ance. Therefore, the forge piece of turbine disk must have good high-temperature strength and low-cycle fatigue properties. Using MSC.MARC software to build the finite element model about closed-die forging process of superalloy IN718 alloy turbine disk, and to analyze simulation results.Keywords: t

3、urbine disk, closed-die forging, MSC.MARC Software，IN7181.概述高溫合金IN718合金由于在-253650之間具有高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和塑性，同時(shí)具有良好的抗腐蝕、抗輻照及焊接性能，因此，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、化工及能源等各個(gè)領(lǐng)域，是生產(chǎn)渦輪盤的關(guān)鍵用材。本文通過(guò)有限元計(jì)算可以建立鍛造變形中的熱力變化過(guò)程，可以利用有限元預(yù)測(cè)鍛造過(guò)程中的微觀組織演變，從而通過(guò)控制熱工藝參數(shù)得到所要求的微觀組織，為優(yōu)化鍛件的成形工藝提供了有效的途徑。2.有限元模型的建立為了保證成形后鍛件中的流線連續(xù)性，通常采用閉模鍛造工藝。由于高溫合金為

4、難變形合金，變形抗力大，熱成形溫度區(qū)域較窄，通常無(wú)法采用傳統(tǒng)的成形工藝成形，需采用熱模鍛造工藝成形。雖然采用熱模鍛造，但是坯料與模具之間仍然存在熱交換作用，將影響成形過(guò)程中合金的微觀組織演變，因此，采用軸對(duì)稱熱力耦合有限元法對(duì)該渦輪盤模鍛件在閉模鍛造過(guò)程中進(jìn)行有限元分析。2.1 幾何模型及單元網(wǎng)格劃分上、下模具的幾何模型可以簡(jiǎn)化為兩條曲線。在有限元軟件MSC.MARC中，X軸為默認(rèn)的對(duì)稱軸，因此，在建立模型時(shí)，只需要建立軸對(duì)稱的一半即可。由于坯料的形狀比較簡(jiǎn)單，并且采用了軸對(duì)稱建模，本文運(yùn)用AUTOMESH對(duì)坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖1為上、下模和坯料的幾何曲線，圖2為有限元模型。圖1 上、下模和坯

5、料的幾何曲線圖2 有限元模型2.2 材料參數(shù)該渦輪盤模鍛件的材料為IN718合金，在MSC.MARC的材料庫(kù)中有IN718合金的流動(dòng)應(yīng)力曲線數(shù)據(jù)（marc/AF_flowmat/asm_67.mat）,但是沒(méi)有該合金的熱物性參數(shù)的數(shù)據(jù)，因此必須通過(guò)TABLE添加該合金的熱物性參數(shù)。圖3為加載材料的流動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)，圖4為熱膨脹系數(shù)表，圖5為導(dǎo)熱系數(shù)表，圖6為比熱容系數(shù)表,圖7為材料性能的定義。圖3 加載材料的流動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)圖4 熱膨脹系數(shù)表圖5 導(dǎo)熱系數(shù)表圖6 比熱容系數(shù)表圖7 材料性能的定義2.3 接觸條件該變形過(guò)程中需要定義一個(gè)變形體、兩個(gè)剛體和一個(gè)對(duì)稱軸。其中坯料為變形體，在變形過(guò)程中與模具、

6、環(huán)境之間有熱交換作用，并且發(fā)生變形；而上模和下模定義為剛體，在變形過(guò)程中不發(fā)生變形，并且溫度恒定不變。圖8為定義的各接觸體（在定義過(guò)程中下模和對(duì)稱軸方向?yàn)閮?nèi)，應(yīng)改成向外），圖9為定義接觸表。圖8 定義的各接觸體圖9 定義接觸表2.4 初始條件定義初始條件，只需要定義坯料初始變形時(shí)的變形溫度為1020。圖10為定義坯料的初始變形溫度表。圖10定義坯料的初始變形溫度表2.5網(wǎng)格重劃分由于在該渦輪盤的成形過(guò)程中，坯料某些部位的變形量較大，因此，在變形大的部位其網(wǎng)格易發(fā)生畸變，為了保證計(jì)算的順利進(jìn)行，必須在計(jì)算過(guò)程中設(shè)置網(wǎng)格重劃分。本文運(yùn)用ADVANCING FRONT QUAD重劃分技術(shù)，以網(wǎng)格的應(yīng)

7、變變化量和變形體穿透剛體的容差作為準(zhǔn)則進(jìn)行網(wǎng)格重劃分，并且在重劃分時(shí)選擇保持原有的網(wǎng)格數(shù)目不變。2.6 定義工況以及作業(yè)參數(shù)因?yàn)樵跍u輪盤的成形過(guò)程中既有變形又有溫度的變化，因此，再定用你工況時(shí)應(yīng)定義為STRUCTUAL/THERMAL，即熱力耦合。圖11為工況時(shí)間步長(zhǎng)數(shù)，圖12為選擇計(jì)算的場(chǎng)量。圖11 工況時(shí)間步長(zhǎng)數(shù)圖12 選擇計(jì)算的場(chǎng)量3仿真結(jié)果與分析3.1 溫度場(chǎng)圖13為終鍛時(shí)渦輪盤內(nèi)的溫度分布場(chǎng)。由圖知，渦輪盤表面由于與模具之間的熱交換作用，溫度較低，幾乎等同于模具溫度（910）；而輪轂由于高度較高，成形后其心部的溫度較高（約為950）。終鍛時(shí)，溫度分布還是比較均勻的。圖13 溫度分布場(chǎng)

8、3.2等效應(yīng)變場(chǎng)圖14為終鍛時(shí)渦輪盤內(nèi)的等效應(yīng)變分布場(chǎng)。由圖知，成形后的渦輪盤內(nèi)等效應(yīng)變分布不均勻，梯度約為2.88。其中渦輪盤輻板、輪轂與輪緣的過(guò)渡圓角以及飛邊等部位的等效應(yīng)變較大；而輪轂上頂部、輪轂與輻板的底部過(guò)渡處的變形量較小，等效應(yīng)變約為0.230.51。圖14 等效應(yīng)變分布場(chǎng)3.3 流線場(chǎng)圖15為終鍛時(shí)渦輪盤內(nèi)的流線分布場(chǎng)。由圖15（a）知，渦輪盤輪芯、輻板和飛邊等部分的金屬流動(dòng)較劇烈，相應(yīng)的等效應(yīng)變較大；而輪轂上頂部的金屬，由于與模具之間的摩擦和熱交換作用,在成形中不易流動(dòng)，為變形不易區(qū)域，相應(yīng)的等效應(yīng)變較小。圖15（a） 流線分布場(chǎng)由圖15（b）知，渦輪盤下輪轂與輪緣的過(guò)渡圓角處

9、，流線發(fā)生了紊流，會(huì)損傷渦輪盤的使用性能。這說(shuō)明在設(shè)定的鍛造工藝下成形，渦輪盤的流線分布不合理，其鍛造成形工藝需要進(jìn)行優(yōu)化。圖15（b） 流線分布場(chǎng)4小結(jié)（1）本文通過(guò)非線性分析軟件MSC.MARC，模擬現(xiàn)場(chǎng)工藝條件，運(yùn)用對(duì)稱軸有限元法對(duì)渦輪盤閉模鍛造過(guò)程進(jìn)行了熱力耦合分析。 （2）對(duì)高溫合金IN718合金鍛造過(guò)程進(jìn)行了熱力耦合有限元仿真，并分析了溫度分布場(chǎng)、等效應(yīng)變分布場(chǎng)以及流線分布場(chǎng)。 （3）仿真結(jié)果與現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)基本一致，說(shuō)明此次仿真模型建立以及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。但是，通過(guò)分析渦輪盤流線分布的不合理，發(fā)現(xiàn)其鍛造成形工藝需要進(jìn)行優(yōu)化 。 參考文獻(xiàn)1劉勁松，張士宏，肖寒，李毅波,等. MSC.MARC在材料加工工程中的應(yīng)用.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.2陳火紅. MARC有限元實(shí)例教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社