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1、上海交通大学硕士学位论文 I水轮机叶片热模压成形及其数值模拟研究 水轮机叶片热模压成形及其数值模拟研究 摘摘 要要 水轮机叶片是水力发电设备中的关键部件，叶片热模压成形工艺是叶片制造的先进技术。 同叶片的 “铸造-铲磨” 方法和数控加工方法相比，叶片热模压成形具有很多优势：叶型准确、叶片内部质量好、机械性能高、生产周期短。本文的主要研究内容和结果如下： 详细的介绍了叶片热模压成形工艺以及成形过程中的关键技术：叶片热塑状态的展开和压力中心及压力吨位估算。综合几何展开法和有限元展开法获得了叶片板坯；利用基于有限元的节点力法求解了动态压力中心，同时实时追踪行程载荷曲线，很好的估算压力吨位； 建立了符
2、合实际的叶片热模压成形的有限元力学模型，应用DEFORM 有限元分析软件对哈电机的某水轮机叶片进行了三维的数值模拟分析。获得了叶片热模压成形过程中的金属流动情况、等效应力、等效应变、速度场和温度场的分布情况以及叶片模压的贴模状况和行程-载荷曲线，并分析了不同上模下压速度时的应力、应变、温度变化情况对叶片热模压成形的影响，揭示了叶片热模压的成形规律； 以叶片热模压成形的最大载荷为目标， 以成形的工艺参数-上模下压速度、摩擦系数和成形温度为设计变量，借助于虚拟正交试验和最小二上海交通大学硕士学位论文 II乘的非线性回归拟合， 建立了目标与设计变量之间的相关关系-非线性回归模型。基于该回归模型，在对
3、虚拟正交试验进行直观分析的基础上，对叶片热模压成形的工艺参数-上模下压速度进行了优化设计， 得到了最佳上模下压速度 22.3mm/s。 关键词：关键词：水轮机叶片，热模压成形，叶片展开，压力中心，数值模拟，工艺参数优化 上海交通大学硕士学位论文 IIIRESEARCH ON HYDRO-TURBINE BLADE HOT DIE FORMING AND NUMERICAL SIMULATION ABSTRACT Hydro-turbine blade is a key component of waterpower equipment. The hydro-turbine blade hot
4、die forming technology is an advanced manufacturing method. The blade which is manufactured by hot die forming has many advantages compared with the “Casting-Shovel milling” blade and the CNC blade. It is in good shape, high quality, high mechanical performance and short production cycle. A brief in
5、troduction to the studying content and its results are as follows: The hot die forming of hydro-turbine blade and its key technical problems are introduced in detail. The key technical problems include the unbending of blade in hot plasticity status and the pressure center. A blade billet is obtaine
6、d by using integrated geometry unbending method and finite element method unbending. The dynamic pressure center is also solved by using node-load method based on FEM. Meantime; the forming load is gained through the real-time tracking of Stroke-Load curve. A 3-D thermal-mechanical coupling FEM simu
7、lation model 上海交通大学硕士学位论文 IVcorresponding to the reality is set up for the hot die forming of the hydro-turbine blade. The 3-D FEA software DEFORM is used for numerical simulation of the blade hot die forming and the results have been obtained for deformed mesh, effective stress field, effective str
8、ain field, temperature field, velocity field, the status of contact area and stroke load curve at the end of hot die forming. Besides, the influence of effective stress, effective strain, and temperature under different velocity on the blade hot die forming process is obtained. The results reveal th
9、e laws of blade hot die forming. The maximum forming load is chosen as the optimal objective and the forming technology parameters are chosen as the design variables. By dint of Orthogonal experiment design and least square for nonlinear regression fit method, the multivariant nonlinear regression m
10、odel between the objective function and the three design variables is established. Based on the above the model and direct-vision analysis of dummy Orthogonal experiment design results, the blade hot die forming technology parameters-velocity of top die is optimized. The optimal technology parameter
11、s-velocity of top die, which is 22.3mm /s, is obtained. KEY WORDS: hydro-turbine blade, hot die forming, blade unbending, pressure center, numerical simulation, technology parameters optimization 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已
12、经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：杨杨 云云 日期： 年 月 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （
13、请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：杨杨 云云 指导教师签名：王兆远王兆远 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 1第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 引言 1.1 引言 水轮机转轮是水轮机的心脏，承受着强烈的动载荷作用，并成为传递能量的主要部件。因此对它的材质、型线及尺寸精度等要求都十分严格。混流式水轮机转轮是由上冠、叶片和下环组成，其中叶片形状复杂，扭转程度大、进出水边尺寸厚薄差大，翼型是三维空间的雕塑曲面，在制造上，工序多、工装多、难度很大。叶片型线的精确与否，直接影响着转轮的水力效率、抗气蚀性和机组运行的稳定性12。因此它的制造质量至关重要。过去大多
14、采用“铸造-铲磨”方法制造叶片，打磨光滑后与上冠、下环拼焊。该工艺方法有许多缺点：型线偏差大、表面粗糙、打磨费工、抗气蚀性差，并且铸造的叶片有组织缺陷，机械性能差，在恶劣的工作环境中其性能很容易变坏。随着数控机床的问世，叶片的数控加工也得到一定应用。但数控加工成本高，而且直接从钢板加工成叶片零件破坏了叶片大量的金属流线使其机械性能下降。对于大型叶片，叶型精确度更难控制，最终也达不到要求。因而多年来人们一直在努力探索其它的叶片制造方法123。 自 70 年代以后，不少发达国家相继采用热模压技术来生产水轮机叶片。相对于叶片数控加工及铲磨工艺，叶片模压成形工艺有其独特的特点，适合于生产台数相对较多的
15、中小型水轮机转轮叶片。模压叶片具有制造成本低、叶片内部质量好、生产效率高并且基本不破坏金属流线等优点，是叶片制造的先进工艺技术之一，受到世界各地的水电行业的高度重视4。 虽然叶片热模压成形相对其他制造方法有许多优点，但是由于叶片本身的形状复杂，特别是 X 型叶片，空间扭转程度大，曲面十分复杂，且进出水边厚度变化大，因而完成叶片的热模压到现在还有许多关键性的技术问题还没有很好的解决。众所周知，对于三维非稳态塑性成形问题，在成形过程中，既存在材料的非线性和几何非线性，同时还存在边界条件的非线性。而变形速度、变形温度、摩擦、坯料形状和尺寸、模具形状等因素对变形过程都有重要的影响，并且接触边界和摩擦边
16、界也难以描述，因此变形机制十分复杂。传统的叶片热模压过程主要依靠一些成熟的经验和技巧作为设计准则，难以精确地、有效地解决叶片热模压过程中的这些技上海交通大学硕士学位论文 2术难题，如叶片毛坯的确定、叶片模压过程中的定位及压力中心的确定、可控工艺参数的选择等问题。这种常规的设计方法具有很大的盲目性和试探性，并带来严重的设备、材料和时间的浪费。同时，叶片质量得不到保证，更无法保证设计方案的最优化。随着计算机技术、材料塑性成形理论以及数值计算方法的发展，基于有限元法的数值模拟越来越成为解决金属塑性成形问题的强有力工具。借助于有限元数值模拟技术，在计算机上虚拟实现叶片热模压成形过程，可以得到诸如应变和应力的分布、温度场、载荷、材料流动情况等各种信息，深化对叶片热模压成形规律的认识，从而为叶片实际生产工艺的制定提供参考。这对优化工艺过程、提高叶片质量、降低成本和提高生产效率都具有十分重要的意义。值得提到的是国内一些生产厂家，如哈电、东电等，在模压叶片生产过程
