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叶片精锻成形规律的三维有限元分析

刘郁丽  
【摘要】: 叶片是航空发动机中量大面广的一类重要零件之一,叶片精锻是叶片锻造 的发展趋势。但是,由于叶片形状复杂,所用材料难变形,目前人们对其精锻 过程的研究尚未深入,还缺乏规律性的认识。因此,采用三维有限元数值模拟 技术,对叶片精锻过程及其成形规律开展系统深入的研究,对叶片精锻工艺和 模具的设计与优化以及叶片精锻技术的发展具有重要的理论意义和实用价值。 本文的主要研究内容和结果如下: 在对叶片锻造过程三维刚塑性/刚粘塑性有限元模拟分析中关键技术问题进 行深入研究的基础上,针对叶片中重要一类叶片—单榫头叶片,以自行开发的 3D-PFS(3-D Plastic Forming Simulation)为平台,发展了叶片精锻过程的三维 刚塑性/刚粘塑性有限元模拟分析系统3D-PFS-1,使准确地把握精锻条件对精 锻过程和成形规律的影响成为可能。该系统具有较完善的前后置处理功能,采 用模块化的程序结构设计,易于扩充,能够向其它复杂体积成形过程的模拟分 析推广。 建立了符合实际的单榫头叶片精锻过程的三维有限元模拟的力学模型,应 用所开发的3D-PFS-1系统对单榫头叶片精锻过程进行了系统的模拟分析。获 得了该类叶片不同变形阶段的变形体的构形、典型截面的网格图、速度场、等 效应力、等效应变等场变量的分布及载荷—行程曲线等结果。研究表明:在单 榫头叶片精锻过程中,变形体内各部分应力、应变的分布极不均匀,榫头部分 的变形较小,叶身部分的变形较大,变形最大的部位发生在叶身的中部。 基于反正切摩擦模型,应用所开发的3D-PFS-1系统,模拟与研究了坯料 与模具间的摩擦对单榫头叶片精锻成形影响的规律。结果发现:榫头部分的变 形基本不受摩擦的影响。叶身部分的变形随着摩擦的不同有着很大的差别,当 摩擦因子m值较大时,材料向左右型腔流动的速度越均匀,沿叶身横向型腔越 容易充满,而材料沿叶身纵向流动越困难。否则,情况则刚好相反。随着摩擦 因子m的增大,叶身变形区的等效应力、等效应变及等效应变速率的分布梯度 增加。 西北工业大学博士学位论文 一 应用所开发的3D-PFS八 系统,模拟与研究了预成形毛坯的形状、尺寸及 其在模具中的放置位置对单样头叶片精锻成形影响的规律。根据变形补偿原理 结合三维刚粘塑性有限元正向模拟技术实现了合理的预成形毛坯的形状与尺寸. 及其放置位置的预测。为单样头叶片精锻成形的工艺实践提供了具有指导意义 的理论依据。 以塑泥为模拟材料,采用局部分层制坯的方法对单楷头叶片锻造过程进行 了物理模拟研究,验证了三维数值模拟系统3D-PFS* 的有效性及模拟结果的 可靠性。


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