题目：航空发动机涡轮盘残余应力分析及加工变形预测研究

涡轮盘是航空发动机重要的涡轮转子部件，为了保证发动机和飞机的运行稳定性和可靠性，迫切需要对涡轮盘的锻造残余应力及加工变形进行分析研究。高温合金GH4169属于镍基合金，该合金广泛应用于航空、导弹发动机的部件中。GH4169合金锻造毛坯在锻造及热处理过程中获得高强度高韧性的同时，也造成毛坯中产生巨大的内应力，在后续机械加工过程中，由于残余应力的释放会使发动机涡轮盘发生加工变形，从而影响其结构精度。本论文采用基于实验测试与有限元模拟仿真相结合的方法，系统分析了涡轮盘坯料锻造成型工艺，深入研究了毛坯材料成型过程中（镦粗、模锻等）残余应力的变化历程，并获得了GH4169合金的拉削力模型，建立了预测盘体加工工件变形的有限元模型，根据仿真结果分析，可以设计合理的加工方案、应力均化工艺和数字化校形工艺，从而达到快速高效数控加工，以及实现航空发动机涡轮盘高性能运转工作的目的。为提升航空发动机的疲劳工作可靠性，本论文针对典型高温合金涡轮盘零构件加工工艺进行分析研究，其中GH4169合金模锻坯件残余应力分布测试及仿真、锻件材料拉削力模型、拉削变形预测研究、以及喷丸强化和振动时效技术是涡轮盘完整加工工艺流程中影响涡轮盘加工精度以及后续疲劳运转性能的关键工艺。本文采用理论研究和实验验证相结合的方法，主要在以下几方面开展了研究工作：一、分析确定了涡轮盘坯料残余应力是导致加工变形的首要因素，深入研究了坯料成型锻造过程中锻件内部残余应力的形成机理，并使用剥层法对GH4169合金锻件材料进行了不同径向位置处沿层深的残余应力测试，得到了毛坯内部复杂残余应力的分布规律，从而可以为涡轮盘高性能制造设计及优化提供可靠依据。二、系统研究了涡轮盘坯料多级模锻成型过程，基于修正的GH4169合金Kumar本构模型，建立了一种适合的涡轮盘锻造过程有限元仿真模型，分析获得了锻件内部全局残余应力的分布状态，通过对比残余应力仿真与物理测试结果，验证了涡轮盘残余应力预测有限元模型的准确性。三、为了准确实测GH4169合金拉削力，自主研发了大量程测力仪，通过Box-Behnken响应曲面法设计了GH4169锻件材料的拉削力测试方案，完成了实验过程中的拉削力数据采集，并建立了准确适用的GH4169合金二次响应面拉削力模型，结合拉削力模型可以指导实际切削参数的优化选取，提高各级轮盘产品拉削质量。四、研究了涡轮盘榫槽拉削加工变形机理，建立了一种含有初始残余应力的GH4169合金涡轮盘拉削过程仿真分析模型，为了减小盘体榫槽拉削变形量，分别针对榫槽的顺序拉削及对称拉削过程，以及不同间隔槽数的拉削方式进行了有限元仿真对比分析，从分析结果中优选出了适合的拉削工艺。