?1 835 mm低壓轉(zhuǎn)子鍛件正火空冷過程溫度場和應(yīng)力場的計算機(jī)模擬

芮守泰 張國利

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

?1 835 mm低壓轉(zhuǎn)子鍛件正火空冷過程溫度場和應(yīng)力場的計算機(jī)模擬

芮守泰 張國利

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

采用一重和清華大學(xué)合作開發(fā)的熱處理模擬軟件分析了?1 835 mm低壓轉(zhuǎn)子鍛件在正火空冷過程中溫度場和應(yīng)力場的變化情況。綜合考慮相變與溫度的耦合關(guān)系、相變潛熱的影響和熱物性參數(shù)的非線性等問題，獲得了鍛件1/4截面上溫度場和應(yīng)力場的變化云圖，為工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

計算機(jī)模擬;轉(zhuǎn)子鍛件;溫度場;相變;應(yīng)力場

大型鍛件由于截面尺寸很大(如很多轉(zhuǎn)子類鍛件直徑都在1 000 mm以上)，所以在熱處理過程中表面和心部存在較大溫差，工件內(nèi)外溫差會引起“熱應(yīng)力”，而工件內(nèi)外組織轉(zhuǎn)變時間不同會引起“組織應(yīng)力”［1，2］，轉(zhuǎn)子鍛件在正火空冷過程中的內(nèi)應(yīng)力是這兩種應(yīng)力綜合作用的結(jié)果，如果冷卻過程控制不當(dāng)，就很有可能發(fā)生縱裂等事故，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。我們針對?1 835 mm大直徑轉(zhuǎn)子正火空冷過程進(jìn)行了計算機(jī)模擬，以期揭示轉(zhuǎn)子在這一過程中溫度場和應(yīng)力場的演變情況，為工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 冷卻過程的溫度-應(yīng)力耦合模型

金屬材料相變是溫度主導(dǎo)的過程，溫度和組織轉(zhuǎn)變的相互作用在熱處理過程中占主要地位。大型鍛件冷卻過程的模擬需要綜合考慮溫度、組織和應(yīng)力之間的相互關(guān)系［3，4］。

1.1 溫度場分析

在柱坐標(biāo)系下，軸對稱工件冷卻時的溫度場傳熱控制偏微分方程為［5～8］:

式中:ρ為材料密度(kg/m3)，CP為材料比熱容［J/(kg.K)］，K為材料的導(dǎo)熱系數(shù)［W/(m.K)］。相變熱以溫升的形式處理，不作為內(nèi)熱源。

邊界條件:

式中:H為綜合換熱系數(shù)，TC為環(huán)境溫度，TW為工件與環(huán)境接觸邊界上的溫度。

1.2 應(yīng)力場分析

將溫度場分析的結(jié)果作為初始條件重新導(dǎo)入原模型中進(jìn)行應(yīng)力分析，通過模擬軟件對材料的CCT曲線實現(xiàn)動態(tài)調(diào)用，綜合分析冷卻過程中內(nèi)應(yīng)力的變化情況。

2 數(shù)值模擬計算的實現(xiàn)

2.1 建模及網(wǎng)格劃分

轉(zhuǎn)子鍛件軸身尺寸為?1 835 mm×4 115 mm，因為轉(zhuǎn)子為回轉(zhuǎn)體，可以用二維軸對稱截面來替代三維網(wǎng)格。為節(jié)省計算時間，取轉(zhuǎn)子二維軸對稱截面的1/4作為求解域求解并劃分網(wǎng)格，結(jié)果如圖1所示。圖1中 a，b，c，d，e分別代表轉(zhuǎn)子軸身處不同深度的節(jié)點，其中a為軸身表面節(jié)點，b節(jié)點距表面深度150 mm，即1/6R(R為轉(zhuǎn)子半徑)，c節(jié)點距表面深度305 mm，即1/3R，d節(jié)點距表面深度610 mm，即2/3R，e節(jié)點距表面深度917.5 mm，即轉(zhuǎn)子心部。通過分析上述5個不同深度節(jié)點在冷卻過程中的溫度及應(yīng)力變化情況來宏觀地反映轉(zhuǎn)子從表面到心部的溫度及應(yīng)力變化過程。

圖1 轉(zhuǎn)子二維軸對稱網(wǎng)格劃分示意圖Figure 1 Rotor two-dimensional axisymmetric grid partition schemes

2.2 冷卻初始條件和邊界條件處理

在求解瞬態(tài)溫度場時，需要相應(yīng)的初始條件和邊界條件。初始條件是指所求解的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題在初始時刻區(qū)域中各節(jié)點溫度，本文中轉(zhuǎn)子由于正火時間很長，所以認(rèn)為初始溫度即為正火保溫溫度，設(shè)定為880℃。邊界條件主要考慮工件與外界環(huán)境之間的熱交換過程，圖2所示為工件在空氣中換熱系數(shù)隨工件表面溫度變化的關(guān)系曲線［9］。

2.3 材料熱物性參數(shù)

低壓轉(zhuǎn)子材料為30Cr2Ni4MoV鋼，其導(dǎo)熱系數(shù)K和比熱容Cp均為溫度的函數(shù)，具體數(shù)值見表 1 和表 2［10］。

表1 30Cr2Ni4M oV鋼導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系Table 1 The relations of 30Cr2Ni4M oV steel coefficient of thermal conductivity changesw ith temperature

表2 30Cr2Ni4M oV鋼比熱隨溫度的變化關(guān)系Table 2 The relations of 30Cr2Ni4M oV steel heat capacity changesw ith temperature

圖2 空冷換熱系數(shù)曲線Figure 2 Air-cooled heat transfer coefficient curve

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 溫度場模擬結(jié)果及分析

根據(jù)設(shè)定的材料參數(shù)和邊界換熱條件，計算得到圖1中轉(zhuǎn)子軸身截面從表面到心部不同深度的5個節(jié)點的冷卻曲線，如圖3所示。從圖3可以觀察到，冷卻開始后，轉(zhuǎn)子表面溫度下降很快，而心部溫度在2 h～3 h之內(nèi)變化很小，這與轉(zhuǎn)子直徑大，蓄熱量大的實際情況相符合。隨著冷卻的繼續(xù)進(jìn)行，轉(zhuǎn)子表面和心部溫差逐漸加大，當(dāng)冷卻到6 h～8 h，溫差達(dá)到最大值，爾后又開始減小，表面和心部溫差關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)冷卻到約6 h時，表面和心部溫差△T達(dá)到最大值260℃;表面與1/3R處的溫差△T為120℃。

圖3 轉(zhuǎn)子軸身冷卻曲線Figure 3 Rotor shaft body cooling curve

圖4 轉(zhuǎn)子軸身溫差隨時間的變化關(guān)系曲線Figure 4 The curve of rotor shaft body temperature changes over time

3.2 應(yīng)力場模擬結(jié)果及分析

鍛件在冷卻過程中軸向拉應(yīng)力容易導(dǎo)致鍛件發(fā)生橫裂，切向拉應(yīng)力易造成縱裂。對于表面來說，徑向應(yīng)力值一般比較小，通常不予考慮。在冷卻過程中，主要關(guān)注軸向、切向應(yīng)力的變化情況。熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的共同作用使工件的內(nèi)應(yīng)力分布變得非常復(fù)雜，因為兩者對應(yīng)力起著相反的作用。在空冷初期，由于表面的冷卻速度比心部快，表面收縮處于拉應(yīng)力狀態(tài)，而心部受表面影響處于壓應(yīng)力狀態(tài)，如圖5所示。表面溫度的迅速下降造成了近表面處陡峭的溫度梯度，使表面節(jié)點的軸向應(yīng)力迅速上升至約260 MPa。當(dāng)轉(zhuǎn)子表面溫度降低到相變點溫度以下后，從表面到心部依次發(fā)生相變，應(yīng)力發(fā)生反轉(zhuǎn)。當(dāng)整個截面上組織轉(zhuǎn)變都完成之后，應(yīng)力狀態(tài)主要由熱應(yīng)力來控制，心部繼續(xù)冷卻體積收縮而最終受拉應(yīng)力，表面受壓應(yīng)力。圖6所示為轉(zhuǎn)子軸身表面不同深度節(jié)點切向應(yīng)力隨時間的變化關(guān)系曲線，變化趨勢與軸向應(yīng)力相似。從圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，在冷卻到15h之后，轉(zhuǎn)子軸身表面溫度降到約400℃(見圖3)，此時雖然表面與心部溫差沒有冷卻開始時大，但應(yīng)力卻快速增大，所以軸身表面在冷卻到400℃以下時，可以適當(dāng)考慮減緩冷卻速度。

圖5 轉(zhuǎn)子軸向應(yīng)力隨時間變化關(guān)系曲線Figure 5 The rotor relationship curves of axial stress changes with time

圖6 轉(zhuǎn)子切向應(yīng)力隨時間變化關(guān)系曲線Figure 6 The rotor relationship curves of radial stress changes with time

圖7所示為轉(zhuǎn)子截面在冷卻至30 h時的切向應(yīng)力分布云圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子在靠近冒口(或水口)端心部拉應(yīng)力達(dá)到360 MPa。而鍛件水/冒口往往又是缺陷密集的區(qū)域，所以這么大的拉應(yīng)力很可能導(dǎo)致造內(nèi)部缺陷部位形成微裂紋。若微裂紋得以擴(kuò)展就有可能形成宏觀裂紋，甚至使鍛件縱裂。圖8所示為轉(zhuǎn)子軸頸包罩后冷卻至30 h時的切向應(yīng)力分布云圖。與圖7對比之后可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子在靠近冒口(水口)端心部拉應(yīng)力下降了約100 MPa。所以冷卻過程中給軸頸包罩對降低軸頸部位內(nèi)應(yīng)力非常有效。

圖7 轉(zhuǎn)子截面冷卻至30 h時的切向應(yīng)力分布云圖(應(yīng)力單位MPa)Figure 7 The tangential stress distribution of rotor section at30 h cooling(stress unit，MPa)

圖8 轉(zhuǎn)子軸頸包罩冷卻至30 h時的切向應(yīng)力分布云圖(應(yīng)力單位MPa)Figure 8 The tangential stress distribution of rotor shaft neck mask section at30 h cooling(stress unit，MPa)

4 結(jié)論

(1)由于轉(zhuǎn)子鍛件截面尺寸很大，即便空冷的冷卻速率較慢，但表面和心部仍會產(chǎn)生較大溫差。?1 835 mm低壓轉(zhuǎn)子正火空冷過程中表面與心部之間的最大溫差達(dá)到260℃。

(2)轉(zhuǎn)子軸身表面溫度降到400℃以下后，由于此時材料處于彈塑性轉(zhuǎn)變區(qū)間，屈服強(qiáng)度快速上升，雖然表面與心部溫差沒有冷卻初始階段大，但內(nèi)應(yīng)力卻快速增大。所以轉(zhuǎn)子在冷卻到400℃左右時，可以考慮適當(dāng)減緩冷卻速度。

(3)冷卻過程中采取軸頸包罩措施對降低軸頸部位內(nèi)應(yīng)力非常有效。模擬結(jié)果表明，?1 835 mm大直徑轉(zhuǎn)子軸頸包罩冷卻相比未包罩時軸頸心部拉應(yīng)力減小約100 MPa。

［1］康大韜，葉國斌.大型鍛件材料及熱處理［M］.北京:龍門書局，1998.

［2］劉莊，吳肇基，吳景之，等.熱處理過程的數(shù)值模擬［M］.北京:科學(xué)技術(shù)出版社，1996.

［3］Jaroslav Mackerle.Finite element analysis and simulation of quenching and other heat treatment processes:A bibliography(1976 － 2001)［J］.Computational Materials Science，2003(27):313－332.

［4］3D FEM simulation of steel quenching and investigationof the effect of asymmetric geometry on residual stress distribution［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008(207):211－221.

［5］劉強(qiáng)，石偉.大型鍛件水空交替淬火過程的數(shù)值模擬［J］.大型鑄鍛件，2009(4):5－9.

［6］潘健生，張偉民，田東，等.熱處理數(shù)學(xué)模型與計算機(jī)模擬［J］.中國工程科學(xué)，2003(5):47 －53.

［7］雷雪，顧劍鋒，潘健生，等.低壓轉(zhuǎn)子加熱過程溫度場與相變的計算機(jī)模擬［J］.金屬熱處理，2009(9):48 －51.

［8］原思宇，張立文，張國梁，等.大型鍛件淬冷過程數(shù)值模擬與實驗驗證［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報，2005(5):547－551.

［9］顧劍鋒.淬火應(yīng)力場的模擬的研究與表面換熱系數(shù)的測算［D］.上海:上海交通大學(xué)，1999.

［10］Aggen G，etal.ASM Handbook，Volume1，Properties and Selection:Irons，Steels，and High Performance Alloys［M］.ASM，2005.

編輯 鄧 玉

Numerical Simulation of Air Cooling Process after Normalizing of Large Cross-section Rotor Forging

Rui Shoutai，Zhang Guoli

The temperature and stress field of?1 835 mm rotor forging during air cooling after normalizing were studied by using FEM software.The 1/4 cross-section contour graphs of temperature and stress field were obtained after considering the relationship between phase transformation and temperature，effects of latentheat to temperature and other subjects.The simulation results can be used to optimize heat treatment processing parameters.

numerical simulation;rotor forgings;temperature filed;phase transformation;stress field

TK263.6+1

B

2011—04—20