順序增壓切換閥高溫蠕變規(guī)律仿真研究

張博欣，賈建利，鐘毅，王麗君，李圣辰，胥江

(1.西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.重慶市地勘局205地質(zhì)隊(duì)，重慶 402160)

隨著內(nèi)燃機(jī)功率密度的提升和轉(zhuǎn)速范圍的拓展，增壓系統(tǒng)在追求以燃油經(jīng)濟(jì)性、動態(tài)響應(yīng)性為目的的全工況性能匹配需求方面，面臨著全新的技術(shù)要求[1]。順序增壓系統(tǒng)為可調(diào)增壓系統(tǒng)，其切換閥用于控制柴油機(jī)排氣流量，閥門類型通常選取快關(guān)蝶閥[2-3]。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度而言，切換閥長期運(yùn)行在最高溫度730 ℃和最大壓力0.5 MPa的環(huán)境下，會導(dǎo)致材料高溫蠕變失效[4-5]。因此在閥門材料選擇方面，優(yōu)先選擇耐高溫性能優(yōu)良的310S不銹鋼。閥門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會產(chǎn)生多軸蠕變應(yīng)變，需要在設(shè)計(jì)研發(fā)過程中考慮材料、結(jié)構(gòu)在高溫工作環(huán)境下發(fā)生的工作安全問題[6-7]。

目前，在310S不銹鋼材料的高溫蠕變特性研究領(lǐng)域，朱合范[8]對310S不銹鋼進(jìn)行1 250 ℃下的高溫蠕變試驗(yàn)，從性能、結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行理論分析與蠕變壽命預(yù)測。在高溫蠕變試驗(yàn)領(lǐng)域[9]，高溫單軸拉伸蠕變試驗(yàn)是目前最常用的研究手段。目前，已經(jīng)有對P91鋼、304不銹鋼、316不銹鋼等多種金屬材料的高溫單軸拉伸蠕變試驗(yàn)研究[10-13]。而關(guān)于閥門類結(jié)構(gòu)高溫蠕變研究方面，仇前鋒[14]以小型汽輪機(jī)主蒸汽閥門為分析對象，引入 Norton-Bailey 材料蠕變數(shù)學(xué)模型和多軸蠕變系數(shù)對新設(shè)計(jì)的閥門進(jìn)行了高溫蠕變強(qiáng)度計(jì)算與分析?？讘椚蔥15]對高壓蒸汽轉(zhuǎn)換閥閥體進(jìn)行分析, 給出了105h后的蠕變位移、應(yīng)變及應(yīng)力情況，著重研究了閥門內(nèi)部應(yīng)力重分布情況。徐浩等[16]利用ABAQUS有限元軟件，采用不同單元類型對某蒸汽閥門的高溫蠕變進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)不同單元類型的計(jì)算結(jié)果有較大差異。本研究針對順序增壓切換閥，基于高溫蠕變試驗(yàn)，在730 ℃及以下的工作溫度下，對閥門的高溫蠕變情況進(jìn)行有限元仿真分析?？紤]到多軸蠕變效應(yīng)，引入Cocks-Ashby多軸蠕變系數(shù)[17-18]，評估順序增壓切換閥的結(jié)構(gòu)壓力變化規(guī)律、蠕變應(yīng)變變化規(guī)律。

1 多軸蠕變強(qiáng)度理論與試驗(yàn)

1.1 多軸蠕變強(qiáng)度理論

研究材料高溫蠕變力學(xué)性能時(shí)，一般通過單軸拉伸試驗(yàn)與高溫蠕變試驗(yàn)來獲得材料的高溫蠕變參數(shù)[19-20]。但在實(shí)際工況中，復(fù)雜的閥門類機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)常受到多軸應(yīng)力的作用, 在多軸應(yīng)力的影響下，閥門材料的蠕變結(jié)構(gòu)韌性明顯比在單向應(yīng)力下低[21-22]。此時(shí)，如果用應(yīng)力積累的思路去討論問題，會發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的累積閥門應(yīng)力在重分布后趨于平緩，從而得到閥門安全性會加強(qiáng)的錯(cuò)誤結(jié)論。而采用應(yīng)變積累，可真實(shí)地反映材料在高溫壓力載荷條件下的強(qiáng)度狀態(tài)。

根據(jù)傳統(tǒng)塑性理論以及Mises屈服準(zhǔn)則,可推得蠕變后的Mises等效應(yīng)變:

(1)

式中：εx，εy，εz分別為x，y，z3個(gè)坐標(biāo)方向的應(yīng)變。

由于在高溫環(huán)境下閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破環(huán)主要受到孔洞長大機(jī)制約束，因此，只有基于孔洞長大理論模型才能相對確切地描述順序增壓切換閥在高溫條件下，其內(nèi)部壓力對閥門材料的影響。本研究采用Cocks-Ashby模型，對材料在單軸應(yīng)力和多軸應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變應(yīng)變進(jìn)行轉(zhuǎn)化。通過求解得到多軸應(yīng)力與單軸應(yīng)力下蠕變失效應(yīng)變的關(guān)聯(lián)式：

(2)

在多軸蠕變應(yīng)變結(jié)果評估方面，引入多軸蠕變損傷系數(shù)后，高溫構(gòu)件的應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則可以表示為

εeq=ε1CA。

(3)

式中：εeq為多軸蠕變等效應(yīng)變；ε1為單向最大主應(yīng)變。據(jù)此計(jì)算順序增壓系統(tǒng)切換閥的多軸蠕變應(yīng)變問題，結(jié)果是偏安全的。

1.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

為了獲取順序增壓切換閥材料310S不銹鋼的高溫蠕變數(shù)據(jù)，首先需要對材料進(jìn)行高溫單軸拉伸試驗(yàn)，進(jìn)而根據(jù)材料特定溫度下的力學(xué)性能參數(shù)，來確定高溫蠕變試驗(yàn)的載荷加載范圍。通過施加溫度載荷與壓力載荷，獲得材料在實(shí)際工況溫度730 ℃、不同載荷下的蠕變應(yīng)變-時(shí)間曲線。

1.2.1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)材料為310S不銹鋼，材料的具體化學(xué)成分如表1所示。

表1 310S不銹鋼的主要成分

材料經(jīng)高溫單軸拉伸試驗(yàn)(730 ℃,15 min)后，測得材料力學(xué)性能參數(shù)，具體參數(shù)見如表2所示。

表2 310S不銹鋼730 ℃力學(xué)性能參數(shù)

由表2確定試件高溫蠕變試驗(yàn)的應(yīng)力加載范圍，選取6 MPa，8 MPa，10 MPa，12 MPa 4種應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)。蠕變試件尺寸的確定是根據(jù)蠕變試驗(yàn)裝置要求以及國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2975—1998和GB/T4338—2006的相關(guān)要求。試驗(yàn)在電子式高溫蠕變持久強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)得到310S不銹鋼在730 ℃下的高溫蠕變率-時(shí)間關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 310S鋼730 ℃單軸蠕變率-時(shí)間曲線

1.3 蠕變模型

1.3.1 Norton蠕變數(shù)學(xué)模型

在ANSYS有限元仿真軟件中，Norton蠕變數(shù)學(xué)模型主要用于模擬蠕變最為穩(wěn)定的第二階段。該蠕變數(shù)學(xué)模型需要根據(jù)材料的穩(wěn)態(tài)蠕變率來擬合2個(gè)參數(shù)，Norton蠕變數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(4)

根據(jù)310S不銹鋼材料在730 ℃下的蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別得出在每一個(gè)應(yīng)力下310S不銹鋼的穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)變率。采用Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，控制其相關(guān)系數(shù)在0.90以上，得到在該恒定溫度下材料的Norton蠕變數(shù)學(xué)模型參數(shù)(見表3)。

表3 310S不銹鋼不同載荷下穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)變率

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合可得310S不銹鋼材料的Norton蠕變數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式：

1.3.2 模型可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證材料310S不銹鋼在730 ℃下Norton蠕變數(shù)學(xué)模型參數(shù)的準(zhǔn)確性，將蠕變試件根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行三維建模?；谒@得的Norton蠕變數(shù)學(xué)模型進(jìn)行試件的有限元仿真計(jì)算，對比試驗(yàn)蠕變應(yīng)變與仿真蠕變應(yīng)變數(shù)值結(jié)果，計(jì)算誤差。其數(shù)值擬合曲線如圖2所示。由圖2可見，在不同應(yīng)力下試驗(yàn)數(shù)值與仿真數(shù)值的誤差均小于10%，二者吻合度較高。說明擬合得到的Norton蠕變數(shù)學(xué)模型可以準(zhǔn)確地描述材料310S不銹鋼在730 ℃下的蠕變過程。

2 閥門蠕變有限元仿真

順序增壓切換閥的蠕變有限元仿真計(jì)算是基于閥門材料310S不銹鋼蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合材料的Norton蠕變數(shù)學(xué)模型參數(shù)，并將其輸入ANSYS有限元仿真軟件中，模擬閥門在特定溫度下的蠕變情況。

2.1 幾何模型的建立

采用Cero三維繪圖軟件對閥門幾何模型進(jìn)行建模繪制，如圖3和圖4所示。

圖3 閥門幾何模型構(gòu)成

圖4 閥門幾何模型剖視圖

依次創(chuàng)建閥座、閥板、閥軸、連接銷等部件模型，并對其進(jìn)行裝配。限定閥門動作，隨后將幾何模型導(dǎo)入ANSYS有限元仿真軟件中，設(shè)置閥門在730 ℃工作溫度下的彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等材料參數(shù)。

2.2 網(wǎng)格的劃分

應(yīng)用Nonlinear Mechanical劃分方式，選取ANSYS仿真軟件中Hex Dominant Method劃分類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。去除不必要的倒角、圓角結(jié)構(gòu)，將閥門結(jié)構(gòu)部件劃分為平面單元，并在閥板與閥座、閥軸與閥板接觸部位進(jìn)行細(xì)致劃分，保證更準(zhǔn)確地反映閥門蠕變應(yīng)變情況。順序增壓切換閥模型的網(wǎng)格劃分如圖5所示，所劃分網(wǎng)格數(shù)為188 326，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.76 mm。

圖5 網(wǎng)格劃分及局部放大

2.3 邊界條件設(shè)置

設(shè)定本次分析類型為穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)分析(Static)，仿真計(jì)算時(shí)長設(shè)置為18 000 h，總載荷步設(shè)置為2步；蠕變極限比率可在1～10之間選取，其值會隨著材料屬性而改變，作用是提高運(yùn)行的精度，本研究設(shè)置為3；同時(shí)，設(shè)置載荷形式為階躍載荷。對順序增壓切換閥閥座的Z方向、閥座長軸端及短軸端的Y方向施加彈性邊界條件約束；這里假設(shè)順序增壓切換閥處于理想的恒定溫度環(huán)境下，且閥門內(nèi)部壓力不受流體介質(zhì)的影響，閥門內(nèi)部溫度載荷設(shè)置為730 ℃，閥門內(nèi)部壓力載荷參考實(shí)際工況，設(shè)置為0.5 MPa。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 閥門Mises應(yīng)力場分析

順序增壓切換閥在730 ℃，0.5 MPa的工況環(huán)境下，經(jīng)歷18 000 h工作時(shí)長后，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力場如圖6所示。

圖6 閥門Mises應(yīng)力分布云圖

由圖6可知，閥門整體應(yīng)力分布較為均勻。其中閥座整體應(yīng)力水平較低，平均應(yīng)力為2.43 MPa。最大應(yīng)力點(diǎn)A出現(xiàn)在閥座與短閥軸配合處，應(yīng)力為14.509 MPa，如圖7和圖8所示。

圖7 閥座短閥軸內(nèi)側(cè)云圖

圖8 閥座長閥軸內(nèi)側(cè)云圖

順序增壓切換閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力分布如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可見，閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要集中在閥板上，平均值為6.40 MPa。同閥座最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)部位相同，閥板的最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在靠近短閥軸處的閥板與密封臺階接觸點(diǎn)B、C。

圖9 進(jìn)氣端內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

閥門在經(jīng)歷長時(shí)間高溫、壓力環(huán)境后，由于溫度升高，金屬材料的膨脹會導(dǎo)致閥門結(jié)構(gòu)接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力出現(xiàn)較明顯的變化。隨著閥座和閥板、閥軸接觸區(qū)域的應(yīng)力下降，高應(yīng)力集中的區(qū)域也有所減小。此時(shí)會產(chǎn)生閥門結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布狀況，其中最大應(yīng)力變化曲線與平均應(yīng)力變化曲線如圖11和圖12所示。

圖11 最大應(yīng)力變化曲線

圖12 平均應(yīng)力變化曲線

由應(yīng)力變化曲線推理可知，在溫度升高后，閥門結(jié)構(gòu)的應(yīng)力趨向穩(wěn)定，使得順序增壓切換閥在實(shí)際運(yùn)行過程中不會由于應(yīng)力變化過大造成結(jié)構(gòu)破壞。但在長時(shí)間高溫工況下運(yùn)行，閥門應(yīng)力的變化會造成閥門結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的蠕變應(yīng)變。因此，如何基于應(yīng)力變化來分析閥門真實(shí)工況下的蠕變應(yīng)變問題是需要重點(diǎn)研究的問題。

3.2 閥門高溫蠕變分析

通過順序增壓切換閥18 000 h單軸蠕變有限元仿真可知，閥門主要發(fā)生蠕變應(yīng)變部位為閥門內(nèi)部閥板與閥座密封臺階接觸部位，蠕變應(yīng)變平均值為8%，如圖13和圖14所示。其中蠕變應(yīng)變最大的部位發(fā)生在短閥軸處的閥板與密封臺階配合處，原因是閥門在啟合過程中發(fā)生碰撞以及散熱性較低等情況，更易發(fā)生蠕變應(yīng)變現(xiàn)象，此處需要重點(diǎn)進(jìn)行安全校核。

除此之外，閥座由于受到內(nèi)部流體介質(zhì)的壓力，并且長期處于高溫工況環(huán)境下，也會產(chǎn)生一定程度的蠕變應(yīng)變?？傮w蠕變應(yīng)變數(shù)值較低，主要發(fā)生蠕變應(yīng)變部位集中在閥座長閥軸與短閥軸配合連接處，如圖15和圖16所示。

圖16 閥座短閥軸處蠕變應(yīng)變云圖

在高溫、壓力環(huán)境下工作18 000 h后，閥門整體蠕變速率較為穩(wěn)定，其中最大蠕變應(yīng)變會在閥門材料進(jìn)入蠕變第二階段后開始降低。原因是在順序增壓切換閥蠕變發(fā)展初期，結(jié)構(gòu)應(yīng)力下降，在高溫壓力環(huán)境下，閥板、閥軸與閥座之間由于過盈配合產(chǎn)生較大的擠壓應(yīng)力，此時(shí)會產(chǎn)生較為明顯的蠕變應(yīng)變。隨著時(shí)間增加以及蠕變應(yīng)變的累積，閥門結(jié)構(gòu)發(fā)生了應(yīng)力重分布，閥門內(nèi)部分區(qū)域的應(yīng)力明顯下降。順序增壓切換閥高溫蠕變應(yīng)變最大值與平均值變化規(guī)律如圖17和圖18所示。

圖17 最大蠕變應(yīng)變曲線

圖18 平均蠕變應(yīng)變曲線

考慮到閥門自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，僅根據(jù)閥門的單軸蠕變有限元仿真計(jì)算結(jié)果來評判閥門的蠕變特性是不準(zhǔn)確的。這里根據(jù)式(2)引入Cocks-Ashby多軸蠕變系數(shù)，即CA系數(shù)，來對閥門進(jìn)行多軸蠕變特性的考量。由圖19和圖20可以看出，順序增壓切換閥在18 000 h工況下的CA平均值大部分在小于或等于1的合理范圍。而CA較大值出現(xiàn)在閥座的長閥軸端、短閥軸端延伸臺階處以及底座部位，最大值出現(xiàn)在短閥軸端的閥板與閥座密封臺階接觸部位，CA系數(shù)過大的原因主要是由于該處結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真。

結(jié)合圖19和圖20，選取D，E，F(xiàn)，G和H這5個(gè)點(diǎn)作為順序增壓切換閥的多軸蠕變主要考核點(diǎn)。將上述考核點(diǎn)的單軸蠕變最大應(yīng)變數(shù)值與對應(yīng)的CA系數(shù)相乘，獲取節(jié)點(diǎn)的多軸蠕變等效應(yīng)變數(shù)值。由圖21和圖22可知，多軸蠕變等效應(yīng)變最大位置依舊在短閥軸處閥板與閥座密封臺階連接處，其中F點(diǎn)計(jì)算結(jié)果為13.48%，H點(diǎn)計(jì)算結(jié)果為10.7%，這兩點(diǎn)的多軸蠕變應(yīng)變較大可能是由于該處結(jié)構(gòu)突變，從而導(dǎo)致CA計(jì)算結(jié)果失真。因此該處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要優(yōu)化，而其余關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的多軸蠕變應(yīng)變均低于2%，滿足工程許用規(guī)范，證明該順序增壓切換閥的高溫蠕變應(yīng)變強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足工程許用要求。

圖19 切換閥閥座CA系數(shù)分布云圖

圖20 切換閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)CA系數(shù)分布云圖

圖21 切換閥閥座多軸蠕變應(yīng)變較大值

圖22 切換閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)多軸蠕變應(yīng)變較大值

4 結(jié)論

a)通過ANSYS有限元仿真分析得到了順序增壓切換閥在730 ℃高溫工況下內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律，閥門應(yīng)力峰值為14.509 MPa,集中出現(xiàn)在靠近短閥軸一側(cè)的閥板進(jìn)氣口邊緣；

b)建立了Norton蠕變數(shù)學(xué)模型，經(jīng)驗(yàn)證模擬值與試驗(yàn)值誤差在10%以內(nèi)，模型可靠；通過仿真得到蠕變較大部位的蠕變應(yīng)變平均值為8%，主要發(fā)生在靠近短閥軸一側(cè)的閥板邊緣；

c)結(jié)合Cocks-Ashby多軸蠕變系數(shù)，在單軸蠕變結(jié)果基礎(chǔ)上獲得閥門關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的多軸蠕變應(yīng)變結(jié)果，除少數(shù)結(jié)構(gòu)突變點(diǎn)外，閥門多軸蠕變應(yīng)變大小均在2%以內(nèi)，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。