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粉液比越高，流痕越多。粉液比同為2:1時，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—特大型末級長葉片，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、無縫方管動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變模型和動態(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微觀組織的影響。變形溫度不變時，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)變速率時不變時，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，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，金屬主要朝長度方向流動，寬度方向基本沒有金屬流動，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)。采用多場耦合有限元模擬了特大型葉片省力成形技術(shù)的各個工序，分析了各個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化生產(chǎn)。工藝研究內(nèi)容包括多工位閉式反擠壓成形工藝設(shè)計、多工位模架模具設(shè)計以及解決生產(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象，設(shè)計了用于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)自動化生產(chǎn)線上，終實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)。具體研究內(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)計四工位模架和四個工位的模具。模具設(shè)計的重點(diǎn)是確定反擠壓成形凸模的結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計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化生產(chǎn)，設(shè)計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。針對這些問題提出解決方案，并順利實(shí)現(xiàn)自動化生產(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，而動力性能的研究較少。因此本文以CFRP方鋁管柱為研究對象，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對其承載力和在荷載下的動力響應(yīng)進(jìn)行了研究。主要研究內(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，并將荷載簡化為下降三角形荷載，采用等效單自由度法對CFRP方鋁管柱在荷載下的動力響應(yīng)進(jìn)行了理論分析，得到柱子中部大動位移。3采用有限元動力分析ANSYS/LS-DYNA 建立CFRP方鋁管柱的有限元模型，對其在荷載下的動態(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、鋼材強(qiáng)度等級、含鋼率、柱高、軸壓比及比例距離等對CFRP方鋁管柱在荷載作用下動態(tài)響應(yīng)的影響規(guī)律。隨著鋁管(簡稱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，將會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》中的適用對象只是針對于普通鋁管，且一般截面尺寸不能超過2000mm對于內(nèi)配加勁件的鋁管，目前還沒有一個系統(tǒng)的統(tǒng)一的并與當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)GB50936相銜接對應(yīng)的靜力與抗火設(shè)計公式。依據(jù)鋁管的統(tǒng)一理論”思路，內(nèi)外鋼材對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，同時也具有較強(qiáng)的理論意義。當(dāng)內(nèi)配含鋼率等于零時，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)計公式。并結(jié)合試驗(yàn)研究結(jié)果和數(shù)值模擬計算與參數(shù)分析結(jié)果，對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)計公式。具體研究工作如下：1對常溫與火災(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，并對試驗(yàn)現(xiàn)象、荷載-變形全過程曲線、溫度場-時間全過程曲線與變形-時間全過程曲線進(jìn)行了詳細(xì)的分析。2對常溫與火災(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)對構(gòu)件不同性能的影響分析。基于疊加原理、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(簡稱RCFST構(gòu)件和配管鋁管(簡稱CFDST構(gòu)件承載力計算設(shè)計公式，并利用柏利公式，將鋁管看成一種組合材料，推導(dǎo)得到系�；�于格林函數(shù)法與分離變量法，對構(gòu)件的截面溫度場模型進(jìn)行解析分析，得到截面各材料溫度場分布計算公式的構(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半解析解計算公式，后與有限元模擬算例與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了溫度場分布的正確性。基于驗(yàn)證后的各材料溫度場分布的半解析解，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)下任意時刻多層套箍鋁管構(gòu)件的軸壓強(qiáng)度和承載力簡化計算統(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)件耐火時間和防火保護(hù)措施分析計算。得出了有、無設(shè)置防火保護(hù)層時構(gòu)件的耐火時間；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)層厚度計算公式。將國內(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)方程簡化計算公式。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)計公式可以同時適用于普通、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)計指導(dǎo)意義。隨著鋁管(簡稱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，將會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。活性粉末混凝土(簡稱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,對其研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。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算公式。

      運(yùn)用勢能駐值原理,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)計尺寸效應(yīng)模型對核心RPC抗壓強(qiáng)度進(jìn)行修正,對外鋁管采用考慮尺寸效應(yīng)的厚壁圓筒理論,從而對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)值模擬時彈簧單元的施加。對于鋁管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)和軸壓剛度比對鋁管RPC軸壓短柱極限承載力的影響。4采用LS-DYNA 對RPC短柱和鋁管RPC短柱進(jìn)行分離式霍普金森壓桿(簡稱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)力時程和軸向應(yīng)變時程、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試件的動態(tài)增長因子計算表達(dá)式,給出了三波法和兩波法計算試件應(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態(tài)增長因子的響應(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)等因素對鋁管RPC構(gòu)件的抗沖擊性能的影響特性。