一种考虑残余应力影响的异材焊接转子破裂转速预测方法与流程

1.本发明属于旋转结构破裂转速技术领域，具体涉及一种考虑残余应力影响的异材焊接转子破裂转速预测方法。


背景技术：

2.目前现有的焊接转子(均质盘)的周向破裂转速计算方法为平均应力法，由所示，式中σb为材料的拉伸极限；为计算得到的平均应力；np为破裂转速储备。
3.但是，对于非均匀材料，尤其是存在焊接残余应力的焊接转子时，由于焊接残余应力的影响，焊接转子存在初始残余应力，导致焊接转子的初始应力分布不均匀，存在鼓筒局部开裂的风险，并且转子在焊接区域的材料本构用母材不同，其具有一定的特性，并不能用现有公式来简单进行计算，现有公式的计算结果并不准确。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种考虑残余应力影响的异材焊接转子破裂转速预测方法，所述预测方法包括如下步骤：
5.s1：将异材焊接转子分为不同材料的第一母材区、第二母材区、焊接区、在第一母材区和焊接区之间的第一热影响区和在第二母材区和焊接区之间的第二热影响区；
6.s2：分别构造不同区域的工程应力-应变曲线本构；
7.s3：将s2构造的工程应力-应变曲线本构转化为真应力-应变曲线；
8.s4：进行残余应力测试；
9.s5：将s4测试获得的残余应力结果转化为残余应力分布场；
10.s6：将s5获得的残余应力分布场作为初始应力，利用s3获得的真应力-应变曲线开展弹塑性分析，获取焊接转子的应力应变，根据失效应变准则，获得最终破裂转速。
11.本发明所提供的考虑残余应力影响的异材焊接转子破裂转速预测方法，还具有这样的特征，所述s2包括如下步骤：
12.s2.1：分别获取第一母材区和第二母材区的工程应力-应变曲线；
13.s2.2:获取焊接接头试样的硬度测试值；所述焊接接头的焊接工艺与所述异材焊接转子的焊接工艺相同
14.s2.3：通过s2.1获取的第一母材区的工程应力-应变曲线和第二母材区的工程应力-应变曲线，以及焊接接头试样的硬度测试值构造焊接区的工程应力-应变曲线；
15.s2.4：通过热影响区距离母材的距离参数、第一母材区的工程应力-应变曲线、第二母材区的工程应力-应变曲线以及焊接接头试样的硬度测试值构造第一热影响区和第二热影响区的工程应力-应变曲线。
16.本发明所提供的考虑残余应力影响的异材焊接转子破裂转速预测方法，还具有这样的特征，所述s2.3包括：所述焊接区的工程应力-应变曲线如下：
17.ε＝2σ/(e
mc1
+e
mc2
)，
18.σ≤σ
0.2，3
；
[0019][0020][0021]
其中，e
mc1
为第一母材区的弹性模量，e
mc2
为第二母材区的弹性模量，σ
b，1
为第一母材区的拉伸强度；σ
0.2，1
为第一母材区的屈服强度；σ
fs，1
为第一母材区的断裂强度；σ
b，2
为第二母材区的拉伸强度；σ
0.2，2
为第二母材区的屈服强度；σ
fs，2
为第二母材区的断裂强度；
[0022]
σ
b，3
＝h3/(h1+h2)
·
(σ
b，1
+σ
b，2
)；
[0023]
σ
0.2，3
＝h3/(h1+h2)
·
(σ
0.2，1
+σ
0.2，2
)；
[0024]
σ
fs.3
＝h3/(h1+h2)
·
(σ
fs.1
+σ
fs.2
)
[0025]
其中，h1为第一母材区测点位置的硬度平均值；h2为第二母材区测点位置的硬度平均值；h3为焊接区测点位置的硬度平均值。
[0026]
本发明所提供的考虑残余应力影响的异材焊接转子破裂转速预测方法，还具有这样的特征，所述s2.4包括：所述热影响区的工程应力-应变曲线如下：
[0027]
ε＝2σ/(e
mc1
+e
mc2
)，σ≤σ
0.2，3
；
[0028][0029][0030]
其中，e
mc1
为第一母材区的弹性模量，e
mc2
为第二母材区的弹性模量，σ
b，1
为第一母材区的拉伸强度；σ
0.2，1
为第一母材区的屈服强度；σ
fs，1
为第一母材区的断裂强度；σ
b，2
为第二母材区的拉伸强度；σ
0.2，2
为第二母材区的屈服强度；σ
fs，2
为第二母材区的断裂强度；
[0031]
其中，第一热影响区中σ
b，3
、σ
0.2，3
和σ
fs，3
的取值分别为：
[0032][0033][0034][0035]
第二热影响区中的σ
b，3
、σ
0.2，3
和σ
fs，3
的取值分别为：
[0036][0037]
[0038][0039]
其中，h1为第一母材区测点位置的硬度平均值；h2为第二母材区测点位置的硬度平均值；h3为焊接区测点位置的硬度平均值；l1为第一热影响区的宽度；l
1，r
为变量，表示为第一热影响区不同位置与焊接区的距离；l2为第二热影响区的宽度；l
2，r
为变量，为第二热影响与焊接区的距离。
[0040]
本发明所提供的考虑残余应力影响的异材焊接转子破裂转速预测方法，还具有这样的特征，所述s3中转化后的真应力-应变曲线为：
[0041]
缩颈前：
[0042]
缩颈后：
[0043]
其中，σ
nom
、ε
nom
为工程应力、工程应变；σ
true
、ε
true
为真应力、真应变；σ
fs
为各分区工程应力应变曲线断裂应力；ε
fs
为各区域工程应力应变曲线断裂应力下对应的断裂应变。
[0044]
本发明所提供的考虑残余应力影响的异材焊接转子破裂转速预测方法，还具有这样的特征，每个区域的残余应力测点在轴向上不少于3个、周向上不少于6个。
[0045]
本发明所提供的考虑残余应力影响的异材焊接转子破裂转速预测方法，还具有这样的特征，根据s4获取的残余应力测试结果通过形函数方法获得残余应力分布场。
[0046]
本发明所提供的考虑残余应力影响的异材焊接转子破裂转速预测方法，还具有这样的特征，所述s6中，当焊接转子各分区局部位置的应变满足下式时，其对应的转速即为最终破裂转速
[0047]
ε
sx
＝kf·
ε
f，ture
[0048]
式中：εf为断裂失效应变；
[0049]
k为修正系数，0.5＜k＜1；
[0050]
ε
f，true
为各分区的真实应力—应变曲线处的断裂应变。
[0051]
有益效果
[0052]
本发明所提供的考虑残余应力影响的异材焊接转子破裂转速预测方法，考虑焊接区域的残余应力分布、焊接区域的材料本构特性，提供了一种工程适用的焊接转子破裂转速预测方法，其破裂转速分析误差均小于6％，计算精度满足工程需要。
附图说明
[0053]
图1为本发明实施例中的预测方法中的焊接位置示意图；
[0054]
图2为本发明实施例中的工程应力应变曲线图；
[0055]
图3为本发明实施例中的不同焊接区的硬度测试结果图；
[0056]
图4为本发明实施例中的热影响区与焊接区距离区示意图；
[0057]
图5为本发明实施例中的工程应力应变和真应力应变曲线图；
[0058]
图6为本发明实施例中的残余应力测点位置示意图；
[0059]
图7为本发明实施例中的残余应力测试位置示意图；
[0060]
图8为焊接转子结构示意图。
[0061]
具体实施方式
[0062]
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
[0063]
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
[0064]
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0065]
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
[0066]
如图1-8所示，本实施例提供了一种考虑残余应力影响的异材焊接转子破裂转速预测方法，其特征在于，所述预测方法包括如下步骤：
[0067]
s1：将异材焊接转子分为不同材料的第一母材区、第二母材区、焊接区、在第一母材区和焊接区之间的第一热影响区和在第二母材区和焊接区之间的第二热影响区；
[0068]
s2：分别构造不同区域的工程应力-应变曲线本构；
[0069]
s3：将s2构造的工程应力-应变曲线本构转化为真应力-应变曲线；
[0070]
s4：进行残余应力测试；
[0071]
s5：将s4测试获得的残余应力结果转化为残余应力分布场；
[0072]
s6：将s5获得的残余应力分布场作为初始应力，利用s3获得的真应力-应变曲线开展弹塑性分析，获取焊接转子的应力应变，根据失效应变准则，获得最终破裂转速。
[0073]
在部分实施例中，所述s2包括如下步骤：
[0074]
s2.1：分别获取第一母材区和第二母材区的工程应力-应变曲线；
[0075]
s2.2:获取焊接接头试样的硬度测试值；所述焊接接头的焊接工艺与所述异材焊接转子的焊接工艺相同(图3所示)；s2.3：通过s2.1获取的第一母材区的工程应力-应变曲线和第二母材区的工程应力-应变曲线，以及s2.2获取的焊接接头试样的硬度测试值构造焊接区的工程应力-应变曲线；
[0076]
s2.4：通过热影响区距离母材的距离参数、第一母材区的工程应力-应变曲线、第二母材区的工程应力-应变曲线以及焊接接头试样的硬度测试值构造第一热影响区和第二
热影响区的工程应力-应变曲线。
[0077]
在部分实施例中，所述s2.2包括：所述焊接区的工程应力-应变曲线如下：
[0078]
ε＝2σ/(e
mc1
+e
mc2
)，
[0079]
σ≤σ
0.2，3
；
[0080][0081][0082]
其中，e
mc1
为第一母材区的弹性模量，e
mc2
为第二母材区的弹性模量，σ
b，1
为第一母材区的拉伸强度；σ
0.2，1
为第一母材区的屈服强度；σ
fs，1
为第一母材区的断裂强度；σ
b，2
为第二母材区的拉伸强度；σ
0.2，2
为第二母材区的屈服强度；σ
fs，2
为第二母材区的断裂强度；σ
b，3
、σ
0.2，3
、σ
fs，3
的参数取值如表1所示
[0083]
表1焊接区的参数取值
[0084]
参数取值σ
b，3
h3/(h1+h2)
·
(σ
b，1
+σ
b，2
)σ
0.2，3
h3(h1+h2)
·
(σ
0.2，1
+σ
0.2，2
)σ
fs，3
h3(h1+h2)
·
(σ
fs，1
+σ
fs，2
)
[0085]
其中，h1为第一母材区测点位置的硬度平均值；h2为第二母材区测点位置的硬度平均值；h3为焊接区测点位置的硬度平均值。
[0086]
在部分实施例中，所述s2.3包括：所述热影响区的工程应力-应变曲线如下：
[0087]
ε＝2σ/(e
mc1
+e
mc2
)，σ≤σ
0.2，3
；
[0088][0089][0090]
其中，e
mc1
为第一母材区的弹性模量，e
mc2
为第二母材区的弹性模量，σ
b，1
为第一母材区的拉伸强度；σ
0.2，1
为第一母材区的屈服强度；σ
fs，1
为第一母材区的断裂强度；σ
b，2
为第二母材区的拉伸强度；σ
0.2，2
为第二母材区的屈服强度；σ
fs，2
为第二母材区的断裂强度；
[0091]
其中，第一热影响区中σ
b，3
、σ
0.2，3
和σ
fs，3
的取值如表2所示：
[0092]
表2第一热影响区的参数取值
[0093]
[0094][0095]
第二热影响区中的σ
b，3
、σ
0.2，3
和σ
fs，3
的取值如表3所示：
[0096]
表3第二热影响区的参数取值
[0097][0098]
其中，h1为第一母材区测点位置的硬度平均值；h2为第二母材区测点位置的硬度平均值；h3为焊接区测点位置的硬度平均值；l1为第一热影响区的宽度；l
1，r
为变量，表示为第一热影响区不同位置与焊接区的距离；l2为第二热影响区的宽度；l
2，r
为变量，为第二热影响与焊接区的距离。
[0099]
在部分实施例中，所述s3中转化后的真应力-应变曲线(图5所示)为：
[0100]
缩颈前：缩颈后的真应力—应变曲线采用线性段，将工程应力应变曲线中的断裂应力、断裂应变(σ
fs
、ε
fs
)通过下式得到对应的真应力σ
fs，true
、ε
fs，true
[0101]
缩颈后：
[0102]
其中，σ
nom
、ε
nom
为工程应力、工程应变；σ
true
、ε
true
为真应力、真应变；σ
fs
为各分区工程应力应变曲线断裂应力；ε
fs
为各区域工程应力应变曲线断裂应力下对应的断裂应变。
[0103]
在部分实施例中，每个区域的残余应力测点(图6所示)在轴向上不少于3个、周向上不少于6个。通过x射线法、中子衍射等方法对焊接区及热影响区进行残余应力测试，测点的一般要求如下：焊接区的轴向测点均布，至少需要3个测点，周向测点均布，至少需要6个测点；热影响区的轴向分布测点，至少需要3个测点，至少需要6个周向测点。
[0104]
在部分实施例中，根据s4获取的残余应力测试结果通过形函数方法获得残余应力分布场。通过插值函数获取焊接转子的残余应力分布场，插值函数为s(x，y)＝(ax+b)(cy+d)。插值函数中的四个待定系数(a、b、c、d)利用该函数在矩形下(图7所示)的四个顶点(插值节点)的应力值，得到四个代数方程，确定四个系数，其中xi为残余应力测试点轴向坐标
值，yi残余应力周向坐标值。
[0105]
在部分实施例中，所述s6中，当焊接转子各分区局部位置的应变满足下式时，其对应的转速即为最终破裂转速
[0106]
ε
sx
＝kf·
ε
f，ture
[0107]
式中：εf为断裂失效应变；
[0108]
k为修正系数，0.5＜k＜1；
[0109]
ε
f，true
为各分区的真实应力—应变曲线处的断裂应变。
[0110]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。