【摘要】：錘鍛模是熱鍛模的一個重要分支,能夠通過較小噸位的錘鍛設(shè)備加工出難以成型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。服役過程中除了受到普通熱鍛模機(jī)械及熱的雙重負(fù)荷,還要承受鍛錘的高頻次沖擊載荷,因此相較于普通熱鍛模更容易出現(xiàn)底角疲勞斷裂、磨損、塑性變形等失效。本文特別針對該類錘鍛模極為嚴(yán)重的底角疲勞斷裂問題,以某超超臨界汽輪機(jī)葉片用錘鍛模為研究對象;從連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)入手,對模具材料內(nèi)部損傷的演化、裂紋的擴(kuò)展,直至失效的過程進(jìn)行深入研究并實現(xiàn)了有限元模擬;同時結(jié)合力學(xué)性能、斷口分析等常規(guī)手段對疲勞斷裂失效問題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。本文提出了基于不同失效模式的梯度堆焊再制造工藝方法,并最終運(yùn)用于該汽輪機(jī)葉片用錘鍛模的再制造生產(chǎn)實踐中。本文主要展開了以下方面的研究:(1)錘鍛模服役狀態(tài)分析采用金屬塑性成型有限元方法對本文的研究對象-某汽輪機(jī)葉片用錘鍛模的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、磨損等服役狀態(tài)進(jìn)行了模擬分析,為后續(xù)疲勞斷裂失效分析及再制造該類錘鍛模提供支持;同時從減少錘鍛模應(yīng)力的角度出發(fā),對模具的設(shè)計及使用工藝方法做了一些改進(jìn)。(2)循環(huán)塑性損傷本構(gòu)模型的建立及有限元實現(xiàn)針對錘鍛模服役過程中容易引起材料劣化并出現(xiàn)內(nèi)部宏觀裂紋的問題。運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)(CDM)建立了一個循環(huán)塑性損傷本構(gòu)模型,借助ABAQUS中UMAT子程序?qū)⒃撃Ｐ统淌交?實現(xiàn)了有限元模擬。引入實驗獲得的5Cr Ni Mo相關(guān)材料參數(shù),完成了試樣拉伸過程的損傷演化模擬。從疲勞累積損傷角度對循環(huán)載荷條件下服役的錘鍛模內(nèi)部損傷的演化以及宏觀裂紋的產(chǎn)生情況進(jìn)行了預(yù)測分析,并獲得了一些關(guān)于材料損傷演化的結(jié)論。(3)錘鍛模疲勞斷裂分析針對錘鍛模在服役過程中出現(xiàn)的底角疲勞斷裂問題。本文通過在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的大框架內(nèi),從損傷力學(xué)開始再延伸到斷裂力學(xué)的方法,來對循環(huán)載荷下的錘鍛模疲勞斷裂全過程加以研究;并結(jié)合材料力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、斷口分析等分析方法實現(xiàn)了對該類問題更為系統(tǒng)的分析。獲得了裂紋擴(kuò)展過程中的裂紋三維形貌、尖端應(yīng)力場、應(yīng)力強(qiáng)度因子、剩余壽命,模具材料力學(xué)性能、微觀組織結(jié)構(gòu)、斷口情況等結(jié)果,進(jìn)而分析出該錘鍛模型腔底角疲勞裂紋形成及擴(kuò)展的機(jī)理。(4)錘鍛模再制造工藝的研究介紹了雙金屬梯度堆焊再制造熱鍛模工藝方法,并針對雙金屬梯度堆焊制造熱鍛模工藝方法難以同時解決錘鍛模易出現(xiàn)的疲勞斷裂、疲勞磨損、塑性變形等典型失效問題,特別是疲勞斷裂問題。分析了該方法存在的局限性,針對性的提出了基于不同失效模式的梯度堆焊再制造工藝方法,給出了解決疲勞斷裂失效等問題的對策。(5)某汽輪機(jī)葉片用錘鍛模的再制造應(yīng)用將提出的基于不同失效模式的梯度堆焊再制造工藝方法應(yīng)用于某汽輪機(jī)葉片用錘鍛模的再制造中�；讷@得的錘鍛模服役狀態(tài)、失效分析、壽命預(yù)測信息,分析了錘鍛模不同區(qū)域的堆焊材料需求;結(jié)合微觀組織、力學(xué)性能等基礎(chǔ)性實驗,針對性的設(shè)計了三種焊材及其組合,優(yōu)化的焊材分布方案;完成了對該錘鍛模的再制造工作。經(jīng)生產(chǎn)驗證,該再制造錘鍛模與原新制錘鍛模相比較,成本降低了約1/2(含首次再制造設(shè)計費(fèi)用),周期縮短了約2/3,壽命提升了約100%。
[Abstract]:The hammer forging die is an important branch of the hot forging die, which can be processed by the hammer forging equipment with smaller tonnage into complex structural parts which are difficult to form. In this paper, aiming at the extremely serious bottom angle fatigue fracture problem of this kind of hammer forging die, the hammer forging die for a certain ultra-supercritical steam turbine blade is taken as the research object, and the evolution of internal damage, crack propagation and failure process of the die material are studied from the continuum damage mechanics and fracture mechanics. The finite element simulation is studied and realized, and the fatigue fracture failure problem is analyzed systematically by combining mechanical properties and fracture analysis. A gradient surfacing remanufacturing process based on different failure modes is proposed and applied to the remanufacturing practice of hammer forging die for turbine blade. The following aspects are studied: (1) The service state analysis of the hammer forging die is carried out by using the metal plastic forming finite element method. The stress, strain, temperature and wear of the hammer forging die for a steam turbine blade are simulated and analyzed. From the point of reducing the stress of the hammer forging die, some improvements have been made in the design and application of the die. (2) Establishment of cyclic plastic damage constitutive model and Realization of finite element method. A series of cyclic plastic damage constitutive models are formulated by means of UMAT subroutine in ABAQUS, and finite element simulation is realized. The damage evolution of the specimen during tensile process is simulated by introducing the experimental 5Cr Ni Mo related material parameters. The damage evolution of hammer forging dies serving under cyclic loading is studied from the point of view of fatigue cumulative damage. (3) Fatigue fracture analysis of hammer forging dies aims at the problem of fatigue fracture at the bottom angle of the hammer forging dies in service. This paper extends from damage mechanics to fracture mechanics within the framework of continuum mechanics. The whole process of fatigue fracture of hammer forging dies under cyclic loading was studied by using the method of mechanical properties, microstructure and fracture analysis. The mechanism of fatigue crack formation and propagation in the bottom corner of the hammer forging die was analyzed by the results of mechanical properties, microstructure and fracture of the material. (4) The technology of bimetal gradient surfacing and remanufacturing hot forging die was introduced, and the technology of bimetal gradient surfacing was difficult to be used in manufacturing hot forging die. Some typical failure problems such as fatigue fracture, fatigue wear and plastic deformation, especially fatigue fracture, which are easy to occur in hammer forging dies, are solved. The limitations of this method are analyzed, and a gradient surfacing remanufacturing process based on different failure modes is proposed. The countermeasures to solve the problems such as fatigue fracture failure are given. (5) A steam The remanufacturing application of hammer forging die for turbine blade will apply the gradient surfacing remanufacturing process based on different failure modes to the remanufacturing of hammer forging die for turbine blade. Three kinds of welding materials and their combinations were designed to optimize the distribution of welding materials. The remanufacturing of the hammer forging die was completed. Compared with the original hammer forging die, the cost of the remanufacturing hammer forging die was reduced by about 1/2 (including the design cost of the first remanufacturing), and the period was shortened by about 2%. /3, lifespan has increased by about 100%.
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG315.3

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 周杰;曾強(qiáng);羅艷;;鑄鋼基體雙金屬梯度連接制備大型鍛模的新方法研究進(jìn)展[J];精密成形工程;2014年05期

2 石然然;李名堯;王波;張報建;李曉霞;;基于DEFORM-3D的曲軸鍛造模具應(yīng)力分析[J];熱加工工藝;2014年03期

3 邢文金;;基于有限元的彈塑性裂紋數(shù)值分析[J];科技創(chuàng)新導(dǎo)報;2013年15期

4 馬鳳清;李志廣;安文忠;倪琳;;鍛模設(shè)計與制造規(guī)范[J];模具制造;2013年03期

5 黃金;姚金傳;張少宗;;對核電發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子銅排的晶粒均勻加工工藝探討[J];電機(jī)技術(shù);2012年04期

6 徐濱士;董世運(yùn);朱勝;史佩京;;再制造成形技術(shù)發(fā)展及展望[J];機(jī)械工程學(xué)報;2012年15期

7 任艷艷;張國賞;魏世忠;徐流杰;;我國堆焊技術(shù)的發(fā)展及展望[J];焊接技術(shù);2012年06期

8 陳波;李付國;何敏;;延性金屬材料損傷變量的實驗表征方法研究[J];稀有金屬材料與工程;2011年11期

9 肖九梅;;汽車配件生產(chǎn)中的有色合金鑄造技術(shù)[J];金屬世界;2011年05期

10 羅鍵;王向杰;趙國際;王家序;;CO_2+電磁攪拌復(fù)合堆焊梯度功能層的微觀組織及性能研究[J];金屬學(xué)報;2009年12期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

1 盧順;鑄鋼基體雙金屬梯度制備鍛模新方法基礎(chǔ)及應(yīng)用研究[D];重慶大學(xué);2014年

2 劉宇杰;金屬材料多軸棘輪—疲勞交互作用的實驗與理論研究[D];西南交通大學(xué);2008年

3 楊新輝;脆性/韌性斷裂機(jī)理與判據(jù)及裂尖變形理論研究[D];大連理工大學(xué);2005年

4 張大林;流形方法在巖體斷裂特性與裂紋發(fā)展過程數(shù)值分析中的應(yīng)用研究[D];大連理工大學(xué);2003年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 李曉宇;單個拉伸過載下金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為的研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2015年

2 馬穎化;小裂紋裂尖應(yīng)力應(yīng)變場分析及塑性區(qū)修正[D];西安科技大學(xué);2014年

3 毛遠(yuǎn)平;ZG29MnMoNi堆焊過渡層組織和硬度研究及焊接參數(shù)優(yōu)化[D];重慶大學(xué);2014年

4 董琴;基于斷裂力學(xué)的船舶加筋板結(jié)構(gòu)低周疲勞研究[D];武漢理工大學(xué);2014年

5 高文良;大型曲軸模具堆焊制造工藝研究[D];南京航空航天大學(xué);2013年

6 周俊;三向應(yīng)力狀態(tài)下高性能混凝土的本構(gòu)關(guān)系研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2011年

7 李莉;含缺陷管道力學(xué)行為分析[D];西安石油大學(xué);2011年

8 張婭麗;微電子倒裝芯片封裝粘彈性斷裂研究[D];西南交通大學(xué);2010年

9 張凌楓;兩種模具堆焊材料抗裂性對比研究[D];南京航空航天大學(xué);2010年

10 潘攀;幾種熱作模具堆焊金屬組織與性能的對比研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

，

本文編號：2240957