基于ANSYS断裂力学理论的混流式转轮焊接过程分析.doc

基于ANSYS断裂力学理论的混流式转轮焊接过程分析
1 前言
　　随着断裂力学理论与实验的不断发展，使得结构从传统的强度、刚度和稳定性的分析及设计发展到可以进行断裂和损伤的分析及设计，使得许多过去仅能定性分析的问题达到定量的计算。
　　早在上个世纪八十年代末期，国外已经运用断裂力学的理论解决工程中的实际问题。例如：挪威Kavaner公司在我国鲁布革水电站转轮叶片与上冠之间就是采用预留焊缝方法进行连接的;法国ALSTOM公司在三峡左岸电站转轮的制造过程中，也运用断裂力学的理论分析研究，最终确定转轮叶片与上冠之间采用预留焊缝的方法进行连接。在国内，目前混流式转轮叶片与上冠(或下环)之间焊接时仍没有采用预留焊缝的焊接方法。
　　本文运用断裂力学理论，结合混流式水轮机转轮的结构及受力特点，确定了转轮叶片与上冠或下环之间采用部分焊透预留焊缝尖端应力强度因子分析模型，为今后在水轮机转轮叶片与上冠(或下环)之间采用部分焊透提供理论和工程依据。
　　断裂力学失效判据与经典强度失效判据不同的是：它不是以危险点的应力强度，而是以裂纹的应力强度因子(KI，KII，KIII等)作为参考。当应力强度因子达到或超过材料的裂纹扩展门槛值(ΔKTH )时，裂纹开始缓慢扩展;当应力强度因子达到或超过临界值(KIC)时，裂纹开始失稳扩展，最终导致断裂，如图1所示。在确定转轮叶片与上冠或下环预留焊缝长度时，就是控制预留焊缝尖端的应力强度因子在无裂纹扩展区域，使得转轮在运行过程中预留焊缝不扩展，从而保证机组的安全运行。

　　图1.疲劳裂纹扩展速率曲线
　　在实际工程中，一般构件的受载情况是复杂的，萌生裂纹的位置和裂纹扩展的方向受到应力分布的影响，裂纹尖端多处于复合型变形状态。为了建立复合型裂纹的判据，我们关注的是裂纹的起裂条件和起裂后扩展的方向。根据最大周向拉应力强度因子理论，可以得到：

　　联立上述两式，即可以确定开裂角 θ0。因此，断裂准则是：

　　临界值KθC 为材料的断裂韧性。这就是最大周向拉应力强度因子的断裂准则。它的优点是形式简单，但缺点是不能区分平面应变和平面应力的不同情况。
　　2 应力强度因子分析模型及边界条件
　　混流式转轮叶片形状复杂，在对其进行预留焊缝应力强度因子分析时，受结构等因素的限制，无法运用三维的应力强度因子分析模型，因此，可将其简化成二维的结构形式。图2为转轮叶片与上冠连接某一切开断面的形状。为了便于分析计算，可将其简化成图3的计算模型。一般情况下，预留焊缝长度t =B/3(B为叶片与上冠或下环相交处的厚度，不考虑过渡圆角)，分析时考虑以下3种工况，①正常运行工况;②正常转速下没有水压力工况;③从正常转速下没有水压力情况过渡到正常运行工况的应力变化幅值。其中P和F2的确定方法如下：

　　图2 叶片与上冠(或下环)切开的基本形状 图3 叶片与上冠(或下环)计算应力强度因子模型
　　P的确定方法：取上述三种工况中叶片与上冠(或下环)相交相应位置中间节点的最大法向应力值; F2的确定方法：取上述三种工况中叶片与上冠(或下环)相交相应位置叶片正面节点的最大法向应力值

　　。
　　式中L;B如图3所示。
　　应力强度因子分析的边界条件如图4所示。
　　3 实际算例
　　下面以某电站转轮为例，简要阐述转轮叶片与下环之间采用部分焊透预留焊缝长度确定方法。
　　取叶片与下环相交距出水边15%和距进水边15%的区域为采用部分焊透预留焊缝的焊接方法，图5为转轮叶片与下环采用部分焊透区域示意图。
　　表1为转轮叶片与下环之间采用部分焊透应力强度因子计算的基本参数;图6为转轮叶片与下环相交面上法向应力分布路径图;根据图6的应力分布图以及前面介绍的拉应力和弯曲力的求解方法，可以求出采用部分焊透不同位置的拉应力和弯曲力，详见表1。

　　图4 应力强度因子计算边界条件 图5 转轮叶片与下环采用部分焊透区域示意图

　　图6 转轮叶片与下环相交法向应力分布路径图
　　表2为分析计算结果。从表2可知，如果该电站采用上述经过断裂力学计算的预留焊缝长度，则在转轮运行过程中预留焊缝不会扩展。
　　表1 应力强度因子计算基本参数

　　*参见图 2.
　　表2 应力强度因子计算结果

　　4 结束语
　　转轮叶片与下环(或上冠)之间采用部分焊透预留焊缝的优点是：焊接过程中不用进行清根处理，这样可以缩短焊接周期，同时减少焊接工作量，提高转轮的抗疲劳性能。根据我国鲁布革电站多年来的运行事实证明：在实际工程中，尽管裂纹是构件产生断裂的主要原因，但构件中存在一定的裂纹并不可怕，关键是如何控制裂纹，使裂纹在工作载荷下不会扩展。