本文關(guān)鍵詞：大型旋轉(zhuǎn)部件的焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬及壽命分析研究

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【摘要】：隨著第三代核電、超超臨界火電汽輪機(jī)等裝備向著大型化、高參數(shù)(高溫、高壓)趨勢(shì)發(fā)展,焊接工藝已成為轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)部件制造的重要手段。然而,由于焊接過(guò)程中不可避免地引入殘余應(yīng)力及氣孔、夾雜等微觀缺陷,進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和服役安全性產(chǎn)生影響。另一方面,旋轉(zhuǎn)構(gòu)件服役過(guò)程中面臨著啟停、高溫等復(fù)雜載荷歷程,不僅使得設(shè)備產(chǎn)生疲勞、蠕變等機(jī)制下的損傷,其與焊接殘余應(yīng)力的耦合作用會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件服役壽命產(chǎn)生如何影響,目前仍是工程中亟需澄清的重要課題。本文以汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子為對(duì)象,采用有限元方法系統(tǒng)研究了焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和分布規(guī)律,重點(diǎn)探討了服役載荷歷程如啟停過(guò)程中疲勞、蠕變機(jī)制對(duì)殘余應(yīng)力松弛和重分布的影響�；趽p傷和斷裂理論,研究分析了殘余應(yīng)力對(duì)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壽命設(shè)計(jì)的影響。主要研究工作和結(jié)論如下：(1)采用熱彈塑性有限元方法,分析研究了窄間隙多道焊接頭的焊接殘余應(yīng)力分布及其影響因素。研究結(jié)果表明,焊接模擬過(guò)程中考慮固態(tài)相變因素,可以得到與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值相符合的殘余應(yīng)力分布；焊接道數(shù)增加可減小熱影響區(qū)范圍,但并不改變焊縫殘余應(yīng)力的分布趨勢(shì)；每道焊接后冷卻時(shí)間延長(zhǎng),會(huì)使得殘余應(yīng)力峰值略為增加,但殘余應(yīng)力的影響范圍明顯減小。(2)基于疲勞和斷裂理論,研究了焊接旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度考核和容限裂紋尺寸的有限元分析法,計(jì)算得到了焊接轉(zhuǎn)子的高周、低周疲勞壽命和臨界裂紋尺寸分布。結(jié)果表明：分別采用Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力兩種等效應(yīng)力時(shí),計(jì)算得到的焊接轉(zhuǎn)子疲勞壽命差別不明顯；焊接轉(zhuǎn)子焊縫內(nèi)腔的圓角處疲勞壽命最低,是疲勞強(qiáng)度的最薄弱區(qū)域；計(jì)算溫度-機(jī)械載荷下的轉(zhuǎn)子疲勞壽命時(shí),傳統(tǒng)的等效應(yīng)變法計(jì)算結(jié)果偏大,會(huì)帶來(lái)非保守的結(jié)果,因而提出了基于等效應(yīng)力的溫度-機(jī)械耦合載荷下的疲勞壽命分析方法。(3)以焊接轉(zhuǎn)子為對(duì)象,分析研究了焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接接頭局部疲勞壽命的影響規(guī)律。結(jié)果表明：與不考慮焊接殘余應(yīng)力情況相比,焊接殘余應(yīng)力導(dǎo)致了熱影響區(qū)的高周、低周疲勞壽命降低；由于殘余壓應(yīng)力的存在,焊縫和母材區(qū)的局部疲勞壽命明顯增加；相比于高周疲勞,殘余應(yīng)力對(duì)低周疲勞壽命的影響更顯著。(4)基于熱粘塑性本構(gòu)模型,研究了焊接轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力在服役條件下(包括啟停疲勞和高溫蠕變)的松弛和重分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：由于應(yīng)力疊加和高溫下屈服強(qiáng)度的降低,啟停工況下會(huì)使得焊接殘余應(yīng)力發(fā)生松弛(拉應(yīng)力降低)和重分布；相比于疲勞機(jī)制,穩(wěn)態(tài)工況下蠕變導(dǎo)致的焊接殘余應(yīng)力松弛效應(yīng)更加顯著；焊縫愈靠近于進(jìn)汽口部位,焊縫區(qū)的工作溫度愈高,導(dǎo)致的殘余應(yīng)力松弛程度更大；蠕變機(jī)制下,較短保載時(shí)間內(nèi)焊接殘余應(yīng)力就會(huì)發(fā)生顯著松弛,然而進(jìn)一步延長(zhǎng)保載時(shí)間并不能一直降低殘余應(yīng)力。(5)采用有限元方法研究了焊接微缺陷(氣孔、夾雜)處的應(yīng)力集中行為,系統(tǒng)討論了夾雜性能、位置、夾雜群及加載條件等因素的影響。研究發(fā)現(xiàn),考慮材料的彈塑性行為后,傳統(tǒng)基于單一的應(yīng)力集中系數(shù)Kt不能表征焊縫微缺陷(氣孔、夾雜)處萌生疲勞裂紋的驅(qū)動(dòng)力,進(jìn)而提出了表征應(yīng)力-應(yīng)變耦合集中效應(yīng)的參量-Kp系數(shù)�；趹�(yīng)力-應(yīng)變耦合集中系數(shù)Kp,較好解釋了為何低周疲勞時(shí)裂紋容易在試件表面萌生,而低應(yīng)力下疲勞裂紋更易起裂于試件內(nèi)部。進(jìn)一步的研究表明：基體與夾雜材料之間彈性模量的差別越大,產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中越大；相比于焊縫中的夾雜物,氣孔更易導(dǎo)致疲勞裂紋的萌生；多個(gè)缺陷的局部應(yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生耦合強(qiáng)化,其耦合效應(yīng)與缺陷的排列和加載方向有關(guān)；基體材料的循環(huán)塑性軟化會(huì)導(dǎo)致氣孔周圍的應(yīng)力集中系數(shù)顯著降低,但對(duì)硬夾雜周圍應(yīng)力集中的影響不明顯。
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK263.61

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