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粉液比越高，流痕越多。粉液比同為2:1時(shí)，Y2O3涂層試樣表面硬化層厚度大約為30μmZrO2涂層試樣大約為150μmCaZrO3涂層試樣約為300μmA l2O3涂層試樣大約為400μm隨粉液比升高，涂層厚度增大，金屬凝固速度減慢，試樣表面馬氏體α′尺寸長(zhǎng)大，四種鋁管涂層試樣表面硬化層厚度均變厚。為了使鑄件獲得較薄的硬化層和較少的表面流痕，應(yīng)選擇粉液比為2:1Y2O3涂層，采用此涂層實(shí)際澆鑄得到表面質(zhì)量良好的舵軸鑄件。作為第三代核電常規(guī)島汽輪機(jī)組中的關(guān)鍵部件—特大型末級(jí)長(zhǎng)葉片，葉片的排氣面積越大，汽輪機(jī)的效率也越高。特大型鋁管葉片對(duì)性能的高要求，由葉片的材質(zhì)、晶粒組織、鍛造流線等內(nèi)在品質(zhì)來保證。采用鍛造工藝制造的大葉片能夠滿足這些要求，研發(fā)特大型核電葉片成形技術(shù)是制造高品質(zhì)葉片的保障，汽輪機(jī)高新技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。

本文基于特大型葉片省力成形方法，研究了鋁管1Cr12Ni3Mo2VN核電鋼的熱變形行為，建立了高溫本構(gòu)方程、無縫方管動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變模型和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶Yada模型，為特大型葉片省力成形技術(shù)的多場(chǎng)耦合模擬奠定基礎(chǔ)；提出了葉片閉式成形輥鍛坯料尺寸迭代算法和研究了多火次鍛造對(duì)微觀組織的影響。變形溫度不變時(shí)，真應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增大而增大，1Cr12Ni3Mo2VN鋼是應(yīng)變速率敏感材料；發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變值隨應(yīng)變速率增加而增大；應(yīng)變速率時(shí)不變時(shí)，臨界應(yīng)變值隨著溫度的降低而增加；低應(yīng)變速率變形時(shí)，明確了省力成形技術(shù)原理，提出了特大型核電葉片省力成形方法并確定工藝流程，新技術(shù)先采用近凈形輥鍛成形葉身后模鍛成形剩余葉根、凸臺(tái)及葉冠，減小每次成形的投影面積而達(dá)到省力目的采用應(yīng)變?yōu)?.2數(shù)據(jù)，無縫鋁管通過線性回歸的方法計(jì)算出了雙曲正弦形式的Arrheniu本構(gòu)方程的材料參數(shù)；采用動(dòng)態(tài)再結(jié)晶熱壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了臨界應(yīng)變模型、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的Yada模型。分析鋁管葉片近凈形輥鍛原理和特點(diǎn)，決定了葉片在輥鍛時(shí)，金屬主要朝長(zhǎng)度方向流動(dòng)，寬度方向基本沒有金屬流動(dòng)，為確保葉片在輥鍛過程中不發(fā)生側(cè)向彎曲，引入了金屬流過各個(gè)特征截面的速度相等的條件，提出了一種迭代算法。通過熱壓縮實(shí)驗(yàn)研究了多火次鍛造對(duì)1Cr12Ni3Mo2VN鋼的晶粒組織的影響，驗(yàn)證特大型葉片省力成形技術(shù)多場(chǎng)耦合的正確性和可靠性；多火次鋁管鍛造的微觀組織具有一定的遺傳型，但終晶粒組織主要由后一火次變形來決定，實(shí)驗(yàn)結(jié)。采用多場(chǎng)耦合有限元模擬了特大型葉片省力成形技術(shù)的各個(gè)工序，分析了各個(gè)工序的可行性和成形后的晶粒組織狀態(tài)，結(jié)果證明特大型葉片省力成形技術(shù)可以采用較小噸位設(shè)備制造出尺寸合格、晶粒組織符合要求的葉片�，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鐓頭工藝和模鍛制坯工藝是可行的現(xiàn)有設(shè)備能夠滿足鐓頭和模鍛制坯的要求；實(shí)際生產(chǎn)中將采用半開式鐓頭工藝。本課題的研究基礎(chǔ)是與客戶簽訂的合同，建立一條1000噸熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線，主要目的實(shí)現(xiàn)直徑Ф65mm以下錨具鍛件的自動(dòng)化生產(chǎn)。工藝研究?jī)?nèi)容包括多工位閉式反擠壓成形工藝設(shè)計(jì)、多工位模架模具設(shè)計(jì)以及解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題。本文以一套可錨固標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa錨套和夾片為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了用于1000噸熱模鍛壓力機(jī)的四工位閉式反擠壓工藝、四工位模架模具和新型反擠壓模具結(jié)構(gòu)。將研究結(jié)果應(yīng)用在1000噸熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線上，終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。具體研究?jī)?nèi)容如下：首先，根據(jù)錨具鍛件內(nèi)小孔外錐形的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)多工位閉式反擠壓工藝方案。分析閉式反擠壓工步的材料流動(dòng)應(yīng)力與常規(guī)反擠壓的不同之處。預(yù)鍛件形狀和反擠壓，確定錨套和夾片的多工位閉式反擠壓工藝圖紙。其次，根據(jù)1000噸熱模鍛壓力機(jī)的裝�？臻g和鍛造工藝，設(shè)計(jì)四工位模架和四個(gè)工位的模具。模具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是確定反擠壓成形凸模的結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了三種反擠壓成形凸模結(jié)構(gòu)，通過模擬分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三種結(jié)構(gòu)方案的性能，選擇可靠實(shí)用的結(jié)構(gòu)用于自動(dòng)化生產(chǎn)。后，將四工位閉式反擠壓工藝和四工位模架模具應(yīng)用在1000噸熱模鍛自動(dòng)化生產(chǎn)線上，并解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題。錨套和夾片鍛件存在主要問題是同軸度超差；錨套和夾片沖頭都存在沖頭壽命偏低的問題，錨套壽命偏低的主要原因是磨損嚴(yán)重，夾片沖頭的主要問題是頭部鐓粗、斷裂和彎曲。本課題研究的多工位閉式反擠壓工藝，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)孔Ф16mmФ36mm深徑比2.5~3.1壁厚3mm8mm小孔錐形件的多工位自動(dòng)化生產(chǎn)，設(shè)計(jì)了新型的反擠壓凸模結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，鋁管此類產(chǎn)品的熱模鍛多工位閉式鍛造工藝方面實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破。針對(duì)這些問題提出解決方案，并順利實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。將錨套和夾片的多工位閉式反擠壓工藝應(yīng)用在自動(dòng)化生產(chǎn)線上。生產(chǎn)效率達(dá)到9件/分鐘，錨套反擠壓沖頭壽命1200015000件，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，達(dá)到客戶要求。為多工位自動(dòng)化鍛造工藝的進(jìn)一步發(fā)展提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。CFRP鋁管柱因其不僅繼承了普通鋁管承載力高，塑性、韌性好的優(yōu)點(diǎn)外，還具有良好的耐火、耐腐蝕性，優(yōu)越的抗震性能，且能有效避免厚壁鋁管的使用，逐漸廣泛興起，發(fā)展前景較好的一種新型組合結(jié)構(gòu)形式。發(fā)生的事故不斷地威脅著人們生命和財(cái)產(chǎn)安全，如何提高建筑結(jié)構(gòu)的防爆抗爆性能，已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的研究課題。目前關(guān)于CFRP鋁管柱的研究主要集中在靜力方面，而動(dòng)力性能的研究較少。因此本文以CFRP方鋁管柱為研究對(duì)象，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)其承載力和在荷載下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：1基于雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論，結(jié)合鋁管統(tǒng)一理論思想，通過等效應(yīng)力系數(shù)與等效約束系數(shù)，將CFRP方鋁管柱轉(zhuǎn)化為圓形截面進(jìn)行分析，推導(dǎo)出了適用于CFRP方鋁管軸壓短柱的極限承載。2基于鋁管統(tǒng)一理論與本文的研究成果，求出了CFRP方鋁管柱的組合剛度，進(jìn)而推導(dǎo)了塑性極限彎矩，并將荷載簡(jiǎn)化為下降三角形荷載，采用等效單自由度法對(duì)CFRP方鋁管柱在荷載下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了理論分析，得到柱子中部大動(dòng)位移。3采用有限元?jiǎng)恿Ψ治鯝NSYS/LS-DYNA 建立CFRP方鋁管柱的有限元模型，對(duì)其在荷載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過與上述理論分析結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了模型的正確性，研究了CFRP厚度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋼材強(qiáng)度等級(jí)、含鋼率、柱高、軸壓比及比例距離等對(duì)CFRP方鋁管柱在荷載作用下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響規(guī)律。隨著鋁管(簡(jiǎn)稱CFST柱在工業(yè)與民用建筑、橋梁與塔架等結(jié)構(gòu)工程中越來越廣泛的應(yīng)用，工程結(jié)構(gòu)對(duì)大跨、高聳、重載的要求也逐漸提高。當(dāng)構(gòu)件承載力不斷增加，截面尺寸越來越大時(shí)，將會(huì)引起鋁管制作加工困難，混凝土澆筑質(zhì)量得不到保證等一系列問題，采用內(nèi)配加勁件的鋁管構(gòu)件可作為一種解決的方式。而當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)GB50936鋁管結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中的適用對(duì)象只是針對(duì)于普通鋁管，且一般截面尺寸不能超過2000mm對(duì)于內(nèi)配加勁件的鋁管，目前還沒有一個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一的并與當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)GB50936相銜接對(duì)應(yīng)的靜力與抗火設(shè)計(jì)公式。依據(jù)鋁管的統(tǒng)一理論”思路，內(nèi)外鋼材對(duì)混凝土的約束套箍作用在各種荷載條件下的性質(zhì)變化應(yīng)該是完全連續(xù)的因此將普通和內(nèi)配加勁件的鋁管統(tǒng)一起來進(jìn)行研究，具有實(shí)際工程意義，同時(shí)也具有較強(qiáng)的理論意義。當(dāng)內(nèi)配含鋼率等于零時(shí)，內(nèi)配加勁件的鋁管就可看成是普通鋁管。本文取常用三種內(nèi)配加勁件的鋁管截面形式，即內(nèi)配鋼筋形式、實(shí)心內(nèi)配鋁管形式與空心內(nèi)配鋁管形式，并將它稱為多層套箍鋁管進(jìn)行力學(xué)分析。通過建立相關(guān)的理論模型推導(dǎo)，得出構(gòu)件在軸壓及火災(zāi)下性質(zhì)隨各參數(shù)變化的函數(shù)關(guān)系或規(guī)律。然后，基于鋁管“統(tǒng)一理論”得到常溫與高溫下三種不同截面形式的多層套箍鋁管構(gòu)件完全統(tǒng)一連續(xù)的相關(guān)設(shè)計(jì)公式。并結(jié)合試驗(yàn)研究結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算與參數(shù)分析結(jié)果，對(duì)理論公式的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。后，基于常溫下多層套箍鋁管構(gòu)件的壓彎相關(guān)方程，給出了火災(zāi)情況下構(gòu)件壓彎相關(guān)方程統(tǒng)一的設(shè)計(jì)公式。具體研究工作如下：1對(duì)常溫與火災(zāi)情況下多層套箍鋁管構(gòu)件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)研究。填補(bǔ)和增加了相關(guān)試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象、荷載-變形全過程曲線、溫度場(chǎng)-時(shí)間全過程曲線與變形-時(shí)間全過程曲線進(jìn)行了詳細(xì)的分析。2對(duì)常溫與火災(zāi)情況下多層套箍鋁管構(gòu)件進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算與參數(shù)分析。通過有限元數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證了本文模型的正確性，然后開展了相關(guān)參數(shù)對(duì)構(gòu)件不同性能的影響分析�；�于疊加原理、薄壁圓筒理論、厚壁圓筒理論和極限平衡法，理論推導(dǎo)出配筋鋁管(簡(jiǎn)稱RCFST構(gòu)件和配管鋁管(簡(jiǎn)稱CFDST構(gòu)件承載力計(jì)算設(shè)計(jì)公式，并利用柏利公式，將鋁管看成一種組合材料，推導(dǎo)得到系�；�于格林函��(shù)法與分離變量法，對(duì)構(gòu)件的截面溫度場(chǎng)模型進(jìn)行解析分析，得到截面各材料溫度場(chǎng)分布計(jì)算公式的構(gòu)造形式，然后結(jié)合有限元數(shù)值模擬結(jié)果擬合回歸得到鋁管、鋼筋以及混凝土的均勻受火下平均溫度場(chǎng)半解析解計(jì)算公式，后與有限元模擬算例與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了溫度場(chǎng)分布的正確性。基于驗(yàn)證后的各材料溫度場(chǎng)分布的半解析解，常溫靜力下構(gòu)件軸壓承載力統(tǒng)一公式的基礎(chǔ)上，引入強(qiáng)度折減系數(shù)和高溫下構(gòu)件的系數(shù)，得到標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下，常溫與火災(zāi)下任意時(shí)刻多層套箍鋁管構(gòu)件的軸壓強(qiáng)度和承載力簡(jiǎn)化計(jì)算統(tǒng)一公式，后與本文和收集到試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了公式的合理性。3給出了多層套箍鋁管軸壓構(gòu)件常溫下理論研究。4給出了火災(zāi)下多層套箍鋁管構(gòu)件的溫度場(chǎng)分布研究。5給出了多層套箍鋁管軸壓構(gòu)件火災(zāi)下理論研究。6給出了火災(zāi)下多層套箍鋁管構(gòu)件耐火時(shí)間和防火保護(hù)措施分析計(jì)算。得出了有、無設(shè)置防火保護(hù)層時(shí)構(gòu)件的耐火時(shí)間；給出了三種滿足耐火極限要求的不同種保護(hù)措施，即內(nèi)配加勁件方式作為防火措施、外涂非型涂料作為抹M5普通水泥砂漿作為防火保護(hù)層，且分別得到滿足耐火時(shí)間下內(nèi)配加勁件的截面面積和所使用防火保護(hù)層厚度計(jì)算公式。將國(guó)內(nèi)規(guī)范推薦的普通鋁管壓彎相關(guān)方程引入到多層套箍鋁管構(gòu)件中并得到驗(yàn)證后，進(jìn)一步擴(kuò)展至火災(zāi)情況下，終得到常高溫下多層套箍鋁管構(gòu)件的壓彎相關(guān)方程統(tǒng)一公式，并與數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了公式的合理性。7給出了常高溫下多層套箍鋁管構(gòu)件的壓彎相關(guān)方程簡(jiǎn)化計(jì)算公式。本文在軸壓、純彎、壓彎和火災(zāi)情況下所得到構(gòu)件相關(guān)設(shè)計(jì)公式可以同時(shí)適用于普通、內(nèi)配多層鋼筋、實(shí)心和空心內(nèi)配多層鋁管的鋁管構(gòu)件，且保證了常溫和高溫下公式形式的連續(xù)和統(tǒng)一，具有很好的工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義。隨著鋁管(簡(jiǎn)稱CFST柱在工業(yè)與民用建筑、橋梁與塔架等結(jié)構(gòu)工程中越來越廣泛的應(yīng)用，工程結(jié)構(gòu)對(duì)大跨、高聳、重載的要求也逐漸提高。當(dāng)構(gòu)件承載力不斷增加，截面尺寸越來越大時(shí)，將會(huì)引起鋁管制作加工困難，混凝土澆筑質(zhì)量得不到保證等一系列問題，采用內(nèi)配加勁件的鋁管構(gòu)件可作為一種解決的方式�；钚苑勰┗炷���(簡(jiǎn)稱RPC作為綠色高性能混凝土具有超高強(qiáng)度、高韌性、耐久性好、體積性優(yōu)良的特點(diǎn),特大型鋁管葉片對(duì)性能的高要求 CaZrO3和Al2O3涂層不能明顯改善流痕缺陷�；炷�土未來的發(fā)展方向。將其應(yīng)用于組合結(jié)構(gòu)形成鋁管活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件,對(duì)其研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文研究了不同截面形式鋁管RPC軸壓性能、粘結(jié)滑移與界面粘結(jié)損傷性能、尺寸效應(yīng)模型和鋁管RPC抗沖擊性能。主要的研究工作和創(chuàng)新成果如下:1以統(tǒng)一強(qiáng)度理論和厚壁圓筒理論為基礎(chǔ),推導(dǎo)了圓形、方形和圓端形截面鋁管RPC軸壓短柱的承載力計(jì)算公式。

      運(yùn)用勢(shì)能駐值原理,考慮鋁管和RPC之間的套箍效應(yīng),推導(dǎo)出鋁管RPC柱在軸向壓力作用下組合彈性模量的計(jì)算式,并進(jìn)一步分析鋁管RPC柱的組合軸壓剛度。采用粘結(jié)強(qiáng)度和割線模量定義了界面粘結(jié)損傷變量,建立了一種基于損傷理論的鋁管與RPC界面粘結(jié)損傷模型,揭示了鋁管RPC界面粘結(jié)的損傷機(jī)理。采用Weibul統(tǒng)計(jì)尺寸效應(yīng)模型對(duì)核心RPC抗壓強(qiáng)度進(jìn)行修正,對(duì)外鋁管采用考慮尺寸效應(yīng)的厚壁圓筒理論,從而對(duì)不同截面形式的鋁管RPC軸壓短柱提出了考慮界面粘結(jié)性能和尺寸效應(yīng)的軸壓承載力計(jì)算方法,并探討了強(qiáng)度理論參數(shù)、套箍指標(biāo)和活性粉末混凝土強(qiáng)度對(duì)承載力的影響特性。2基于統(tǒng)一屈服準(zhǔn)則和應(yīng)變梯度塑性理論,推導(dǎo)考慮尺寸效應(yīng)的厚壁圓筒塑性極限解,得到考慮尺寸效應(yīng)的外鋁管的縱向抗壓強(qiáng)度,研究了鋁管RPC尺寸效應(yīng)規(guī)律及不同變形條件下尺寸效應(yīng)的作用機(jī)理。3采用三段線近似模擬鋁管RPC粘結(jié)滑移本構(gòu)模型,以便于進(jìn)行ANSYS數(shù)值模擬時(shí)彈簧單元的施加。對(duì)于鋁管RPC粘結(jié)滑移數(shù)值模擬采用非線性彈簧單元Combination39,分析了該單元的特點(diǎn)以及FD曲線選取的計(jì)算方法。非線性彈簧單元分別模擬了鋁管與活性粉末混凝土之間法向、縱向切向、環(huán)向切向三個(gè)方向的作用。利用ANSYS后處理器得到不同截面形式鋁管RPC短柱的軸壓承載力和荷載-變形關(guān)系曲線,與文獻(xiàn)中試驗(yàn)曲線吻合較好,探討了RPC軸壓強(qiáng)度、套箍系數(shù)和軸壓剛度比對(duì)鋁管RPC軸壓短柱極限承載力的影響。4采用LS-DYNA 對(duì)RPC短柱和鋁管RPC短柱進(jìn)行分離式霍普金森壓桿(簡(jiǎn)稱SHPB有限元數(shù)值模擬。數(shù)值分析得到應(yīng)力波的波形圖、構(gòu)件的軸向應(yīng)力時(shí)程和軸向應(yīng)變時(shí)程、重構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變曲線均與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,證明了有限元模型的合理性�；�于CEB公式和Malver公式推導(dǎo)鋁管RPC試件的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子計(jì)算表達(dá)式,給出了三波法和兩波法計(jì)算試件應(yīng)變、應(yīng)力和應(yīng)變率的基本公式。研究了沖擊荷載作用下RPC應(yīng)變率強(qiáng)化的特性、試件破壞過程以及動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子的響應(yīng)規(guī)律,探討了活性粉末混凝土強(qiáng)度、鋁管壁厚度、套箍系數(shù)等因素對(duì)鋁管RPC構(gòu)件的抗沖擊性能的影響特性。