一种等轴晶叶片凝固状态、晶粒分析及应力场仿真方法技术

本发明专利技术公开一种等轴晶叶片凝固状态、晶粒分析及应力场仿真方法，包括以下步骤：建立叶片模型；将叶片模型导入铸造模拟仿真软件进行检查处理，再进行网格划分；在铸造模拟仿真软件中对模拟定向进行参数设置；获取叶片的凝固状态分布图、温度梯度分布图、缩松缩孔分布图、等轴晶粒分布图、应力分布图并分别进行分析。本发明专利技术中，通过对叶片的凝固状态、温度梯度进行模拟，可查看叶片在铸造过程中的温度变化，对叶片的缩孔缩松进行了模拟，可得到叶片在该工艺下的质量状况，通过模拟等轴晶晶粒度大小，可查看组织均匀性等，通过模拟服役状态下叶片的应力分布，可查看叶片薄厚不均匀处应力的变化状态，有利于改进叶片的铸造工艺参数、改善叶片的结构。改善叶片的结构。改善叶片的结构。

【技术实现步骤摘要】
一种等轴晶叶片凝固状态、晶粒分析及应力场仿真方法


[0001]本专利技术属于等轴晶叶片
，具体涉及一种等轴晶叶片凝固状态、晶粒分析及应力场仿真方法。

技术介绍

[0002]透平叶片是燃气轮机的核心热端部件之一，其安全服役对燃气轮机的正常运行至关重要。采用精密铸造工艺制得的等轴晶透平叶片在浇注过程中易产生表面晶粒粗大、缩孔缩松等缺陷。当晶粒过大，超出标准要求的柱状晶会使叶片表层的抗疲劳性能降低。因此，在透平叶片生产中，如何对晶粒度进行有效控制对于改善透平叶片质量、避免缺陷、提高产品合格率具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0003]为解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种等轴晶叶片凝固状态、晶粒分析及应力场仿真方法。
[0004]为实现上述目的，达到上述技术效果，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种等轴晶叶片凝固状态、晶粒分析及应力场仿真方法，包括以下步骤：
[0006]构建叶片模型、水冷铜盘、浇注系统、炉体模型，导入到铸造模拟仿真软件进行检查处理，再进行网格划分，随后设置模拟参数，模拟得到叶片的凝固状态分布图、温度梯度分布图、缩松缩孔分布图、等轴晶粒分布图、应力分布图并分别进行分析，改进叶片的铸造工艺参数，改善叶片的结构。
[0007]进一步的，所述方法包括以下步骤：
[0008]1)、使用建模软件建立叶片模型、水冷铜盘、浇注系统、炉体模型，输出文件格式为igs或iges格式；
[0009]2)、将模型导入到铸造模拟仿真软件进行检查处理，检查后进行二维、三维网格划分；
[0010]3)、在铸造模拟仿真软件中对模拟定向进行参数设置；
[0011]4)、获取叶片的凝固状态分布图和温度梯度分布图；
[0012]5)、获取叶片的缩松缩孔分布图；
[0013]6)、获取叶片的等轴晶粒分布图；
[0014]7)、获取叶片在工况服役情况下的应力分布图；
[0015]8)、通过分析叶片的凝固状态分布图、温度梯度分布图、缩孔缩松缺陷图、等轴晶粒图以及应力分布图，改进叶片的铸造工艺参数，改善叶片的结构。
[0016]进一步的，步骤2)中，将模型导入到铸造模拟仿真软件进行检查处理的步骤包括：首先，进行几何检查，包括缺面、叠面以及交叉面的检查；其次，将叶片模型、水冷铜盘、浇注系统、炉体模型进行装配，装配结束后再进行几何检查，检查后进行网格划分，再进行网格检查，如网格有缺陷问题，使用网格修复工具进行修复。
[0017]进一步的，步骤2)中，进行二维、三维网格划分的步骤包括：
[0018]将叶片模型、水冷铜盘、浇注系统、炉体模型进行装配，装配结束后再进行几何检查，检查后进行二维网格划分，对叶片的二维网格应画的小一些；随后，进行网格检查，如网格有缺陷问题，应使用网格修复工具进行修复；二维网格画完毕后，将画好网格的炉膛导出，格式为mesh格式，随后将进行三维网格的划分，网格尺寸因部件薄厚而异；随后，给铸件加模壳，并对模壳进行二维网格和三维网格的划分。
[0019]进一步的，步骤3)中，所述参数包括：重力方向的设定；合金及模壳的材料类型、浇注温度、充型百分比的设定；传热系数、浇注温度、抽拉速率以及溶体的流动速率。进一步的，步骤5)中，获取叶片的缩松缩孔分布图的步骤包括：
[0020]根据模拟得到的叶片的温度场分布以及固相分数分布，使用Niyama准则，在ProCAST软件中，将POROS设置为大于0，模拟得到叶片的缩松缩孔分布图，当体积分数小于0.01时，是微观缩孔，高于0.01时为宏观缩孔，并且使用切片模式可以观看内部的缩孔缩松。进一步的，步骤6)中，获取叶片的等轴晶粒分布图的步骤包括：
[0021]为验证叶片铸造工艺的优劣性，模拟等轴晶晶粒度的大小，使用微观形核模型和枝晶尖端生长动力学模型，用连续而非离散的分布函数来描述晶粒密度的变化，其中ΔT
max
是平均形核过冷度，单位为℃，ΔT
σ
是形核过冷度标准方差，单位为℃，n
max
是正态分布从0到∞积分得到的最大形核密度；晶体生长受动力学过冷、成分过冷的影响，因此枝晶尖端的总过冷度ΔT＝ΔT
c
+ΔT
t
+ΔT
r
+ΔT
k
，其中ΔT
c
为成分过冷度，ΔT
t
为热力学过冷度，ΔT
r
为固液界面曲率过冷度，ΔT
k
为生长动力学过冷度，等轴晶粒的生长速度模拟使用v(ΔT)＝a2ΔT2+a3ΔT3模型，其中a2和a3分别是系数，ΔT为枝晶尖端的总过冷度，单位为℃，因此，根据合金成分通过在ProCAST中设置a2和a3模拟得到叶片的等轴晶粒。
[0022]进一步的，步骤7)中，获取叶片在工况服役情况下的应力分布图的步骤包括：将叶片中的网格信息提取出来，通过参考网格信息，将叶片模型导入到Ansys或Abaqus中进行网格的划分，所画网格尺寸与铸造模拟仿真软件中的网格尺寸相同，进行网格信息的传递，通过设置模拟参数得到叶片在工况服役情况下的应力分布图。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0024]1、通过对叶片的凝固状态、温度梯度进行模拟，可以查看叶片在铸造过程中的温度的变化；通过对叶片的缩孔缩松进行模拟，可以得到叶片在该工艺下的质量状况；通过模拟等轴晶晶粒度的大小，可以查看组织均匀性等；通过模拟服役状态下叶片的应力分布，可以查看叶片薄厚不均匀处应力的变化状态。本专利技术为叶片铸造工艺改进提供了参考，也为叶片的结构设计与改进提供了新思路。
[0025]2、通过对叶片网格信息提取，实现了网格的传递性，可以更加便捷的得到叶片任何一个位置的凝固状态演化、温度梯度、缩孔缩松缺陷、等轴晶晶粒组织、以及应力分布之间的关系，因此，通过将各个场串联起来，实现了叶片凝固状态
‑
冷却速率
‑
缩孔缩松缺陷
‑
晶粒组织
‑
服役状态下应力场的流程仿真，为具有复杂冷却系统的高性能叶片的制备和设计提供了依据。
[0026]3、通过分析叶片凝固状态
‑
温度梯度
‑
缩孔缩松缺陷
‑
等轴晶晶粒度
‑
服役状态下
应力场之间的关系，可同时达到改进叶片结构以及铸造工艺的目标。
附图说明
[0027]图1为本专利技术的叶片模型的结构示意图；
[0028]图2为本专利技术的叶片模型的网格图；
[0029]图3为本专利技术的叶片的凝固状态分布图；
[0030]图4为本专利技术的叶片的温度梯度分布图；
[0031]图5为本专利技术的叶片的缩孔缩松分布图；
[0032]图6为本专利技术的叶片的等轴晶粒分布图；
[0033]图7为本专利技术的叶片的应力分布图。
具体实施方式<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种等轴晶叶片凝固状态、晶粒分析及应力场仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：构建叶片模型、水冷铜盘、浇注系统、炉体模型，导入到铸造模拟仿真软件进行检查处理，再进行网格划分，随后设置模拟参数，模拟得到叶片的凝固状态分布图、温度梯度分布图、缩松缩孔分布图、等轴晶粒分布图、应力分布图并分别进行分析，改进叶片的铸造工艺参数，改善叶片的结构。2.根据权利要求1所述的一种等轴晶叶片凝固状态、晶粒分析及应力场仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)、使用建模软件建立叶片模型、水冷铜盘、浇注系统、炉体模型，输出文件格式为igs或iges格式；2)、将模型导入到铸造模拟仿真软件进行检查处理，检查后进行二维、三维网格划分；3)、在铸造模拟仿真软件中对模拟定向进行参数设置；4)、获取叶片的凝固状态分布图和温度梯度分布图；5)、获取叶片的缩松缩孔分布图；6)、获取叶片的等轴晶粒分布图；7)、获取叶片在工况服役情况下的应力分布图；8)、通过分析叶片的凝固状态分布图、温度梯度分布图、缩孔缩松缺陷图、等轴晶粒图以及应力分布图，改进叶片的铸造工艺参数，改善叶片的结构。3.根据权利要求2所述的一种等轴晶叶片凝固状态、晶粒分析及应力场仿真方法，其特征在于，步骤2)中，将模型导入到铸造模拟仿真软件进行检查处理的步骤包括：首先，进行几何检查，包括缺面、叠面以及交叉面的检查；其次，将叶片模型、水冷铜盘、浇注系统、炉体模型进行装配，装配结束后再进行几何检查，检查后进行网格划分，再进行网格检查，如网格有缺陷问题，使用网格修复工具进行修复。4.根据权利要求2所述的一种等轴晶叶片凝固状态、晶粒分析及应力场仿真方法，其特征在于，步骤2)中，进行二维、三维网格划分的步骤包括：将叶片模型、水冷铜盘、浇注系统、炉体模型进行装配，装配结束后再进行几何检查，检查后进行二维网格划分，对叶片的二维网格应画的小一些；随后，进行网格检查，如网格有缺陷问题，应使用网格修复工具进行修复；二维网格画完毕后，将画好网格的炉膛导出，格式为mesh格式，随后将进行三维网格的划分，网格尺寸因部件薄厚而异；随后，给铸件加模壳，并对模壳进行二维网格和三维网格的划分。5.根据权利要求2所述的一种等轴晶叶片凝固状态、晶粒分析及应力场仿真方法，其特征在于，步骤3)中，所述参数包括：重力方向的设定；合金及模壳的材料类型、浇注...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖俊峰，马伟，高斯峰，唐文书，高松，张炯，李永君，刘全明，南晴，徐小卜，上官博，李园园，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：