压气机叶片多工步锻造成形过程数值模拟3吕成张立文邰清安郑渠英【摘要】利用刚粘塑性有限元法,对某重型燃机压气机叶片的多工步锻造过程进行了三维有限元模拟。通过有限元数值模拟,得到了多工步锻造过程中坯料的几何形状变化、温度场和应变场的分布规律以及载荷变化曲线。模拟工艺实验表明,压气机叶片锻造工艺和模具设计合理,数值模拟结果准确可靠。关键词:压气机叶片多工步锻造刚粘塑性有限元数值模拟中图分类号:TG316;TK26313文献标识码:ANumericalSimulationofMulti-stageForgingProcessofaCompressorBlaLüCheng1ZhangLiwen1TaiQing’an2ZhengQuying2(11DalianUniversityofTechnology21ShenyangLimingAero2EngineGroupCorporation)AbstractUsing32Drigid2viscoplasticfiniteelementmethod,themulti2stageforgingprocessofagasturbinecompressorbladewassimulated.Throughthesimulation,thedeformedgeometriesofbillet,thedistributionsoftemperatureandstrain,andtheforgingloadhavebeenobtained.Theresultsofpracticaltestsshowedthatthetechnicaldesignofmulti2stageforgingofcompressorbladeisreasonable,thediecavitydesignisaccurateandthenumericalsimulationiseffective.Thestudyisofsignificancetotheengineeringapplicationofmulti2stageforgingofCompressorblade,Multi2stageforging,Rigid2viscoplasticFEM,NumericalKeywords符。YangDY3对叶片锻造过程进行了三维有限元模拟,但模拟中榫头与叶身采用直角过渡,简化了模型。西北工业大学杨合、刘郁丽、蔡旺等4～6利用自行开发的叶片锻造三维有限元软件模拟了钛合金叶片的精锻过程,并进行了物理模拟验证,但模拟中没有考虑坯料的预成形过程。本文利用刚粘塑性有限元法建立了某重型燃机引言压气机叶片是重型燃机中的重要零部件,起着能量转换的关键作用。叶片形状复杂,其锻造工艺性差,某重型燃机叶片所用材料又为一新钢种,对其锻造工艺性能的研究较少,变形规律难以掌握。随着计算机数值模拟的发展,可以在计算机上实现虚拟成形过程并反复演示优化,从而得到任一时刻大量的变形场量信息。目前,对叶片锻造过程的计算机模拟大都简化为平面应变问题1～2,与实际变形过程不软件对其进行了三维数值模拟。通过数DEFORM值模拟分析,跟踪成形过程,获得了热力参数的场量收稿日期:2005-12-273国家“863”高技术研究发展计划资助项目(项目编号:2004AA503010)吕成张立文邰清安郑渠英大连理工大学材料科学与工程学院大连理工大学材料科学与工程学院沈阳黎明航空发动机集团技术中心沈阳黎明航空发动机集团技术中心博士生,116024大连市教授博士生导师高级工程师,110043沈阳市高级工程师170农业机械学报2007年分布,从而揭示了压气机叶片多工步锻造成形规律,实现了成形工艺与模具的优化设计,为压气机叶片多工步锻造的生产应用奠定了基础。便达到热变形过程的耦合分析。2有限元模型的建立重型燃机叶片锻造为多工步锻造,分为聚积、成1刚粘塑性有限元基本理论在金属体积成形过程中,坯料的弹性变形远远形、夹扁、预锻和终锻,其中聚积、成形和夹扁工步为预成形工步,即为形成榫头形状的制坯工步。由于金属塑性成形极限的限制,必须在终锻前增加一道预锻工步,预锻完的坯料重新加热至终锻温度并保温,小于其塑性变形,因此采用刚粘塑性有限元数值模拟技术7～9。刚粘塑性有限元的基本理论是Markov变分原理,该变分原理可表述为:在所有满足动可容条件和速度边界条件的速度场中,真实的速度场使下列泛函取极小值·性有限元软件DEFORM模拟叶片锻造全过程,下一工步所用坯料即为上一工步完成的坯料,并且继承了所有场量信息。叶片所用材料为一新型马氏体热强不锈钢,其高温力学性能和热物性参数通过实验测得。刚粘塑性材料的流动应力模型为0=∫VΡΕdV-∫S()Fiuids1F采用罚函数法处理体积不可压缩条件,该泛函的一阶变分为·∆0=∫VΡ∆ΕdV+Α∫V··ΕV∆ΕVdV-∫S·F∆udsiiΡ=Ρ(Ε,Ε,T)(5)F即材料的流动应力与等效塑性应变、应变速率和温度有关,计算中采用分段线性化的方法,根据实验测得的高温力学性能取点输入。通过材料高温力学实验所得,坯料预锻温度为1160℃,终...