《搅拌摩擦焊的数值模拟》.docx

第1章 绪论搅拌摩擦焊构件的焊接质量主要与搅拌摩擦焊的焊具及工艺参数有关，其中包括搅拌头的几何形状、旋转速度、焊接速度、焊具倾角、轴向压力等。搅拌头是搅拌摩擦焊技术的核心。在搅拌摩擦焊生产中，搅拌头起到提供焊接热能量及带动母材流动的作用。伴随着搅拌头的高速旋转，搅拌头长期处于与母材材料的摩擦作用力下，生产中需要经常更换搅拌头，以保证搅拌头表面的粗糙度，用以提供足够的摩擦热。因此，搅拌头表面常出现磨损严重的问题；除此以外，搅拌头也有可能出现断裂破坏的情况，这也同样与搅拌头的受力情况密切相关。因而在长期的摩擦力和压力作用下，搅拌头的疲劳性能是需要关注的。搅拌头在焊接过程中将同时承受剪切及弯曲的组合作用力搅拌头形状，采用不同形状的搅拌头进行焊接，母材区的焊后纹理、微观晶粒尺寸及焊后焊材力学性能的变化是复杂的。焊缝附近材料上任一点都将经历一个迅速升温、缓慢降温的温度时间历程焊后残余应力场搅拌摩擦焊中若所焊构件为单一材料，则残余应力场中前进侧残余应力值将略高于返回侧应力值，若材料不同，则最大残余应力将产生在屈服强度或材料硬度较高的一侧焊接过程中，焊核区内将经历热高温过程，使得材料内析出相完全溶解，材料硬度降到最低，此区域被称为软化区焊接过程中，热量的产生主要由搅拌头与焊接构件摩擦生热及材料塑性变形生热构成。其中，轴肩与构件接触摩擦力做功生热占绝大多数比例，是大多数模型中解析计算热输入的主要依据。在搅拌头与焊接构件的接触定义上，通常采用：滑移接触、黏滞接触，滑移和黏滞混合接触，主要区别在于定义与搅拌头接触处的焊接构件材料运动速度与搅拌头速度的比值，若为0，则为滑移接触类型，若为1，则为黏滞接触类型，若介于01，则为混合接触类型。不同的值选取，将会影响最终热输入量的计算。搅拌头的磨损变形改变了搅拌头的几何形状，将降低焊后构件接头质量。当使用搅拌摩擦焊焊接硬质材料，如不锈钢、钛合金时，上述问题愈加明显。对此，许多数值模拟工作把搅拌头的疲劳、磨损和寿命等问题作为主要研究对象。焊后构件材料的晶粒尺寸分布，是搅拌摩擦焊工艺中较为关心的重要参数。基于数值模拟计算焊接区域晶粒尺寸分布。纵向拉伸残余应力场在焊缝两侧并不对称分布，不对称分布的主要原因是焊缝两侧不对称的温度场历程和搅拌头搅拌摩擦力场的影响对于异种材料间的搅拌摩擦焊，研究表明其焊接接头往往具有特殊的微观结构和力学性能。针对异种材料搅拌摩擦焊的数值模拟目前处于初始阶段，需要解决异种金属间相互作用机理和融合机理，在数值模拟方面具有挑战性，需要对相关理论进行进一步完善。第2章 有限元基础和数值模拟有限元方法是搅拌摩擦焊数值模拟的重要方法，在搅拌摩擦焊的传质传热、残余应力、搅拌头受力与疲劳等问题的研究中起到了重要作用。弹性力学基础：平衡方程、几何方程与变形协调方程、物理方程变分原理基础有限元基础：三角形单元、矩形单元、四面体单元、六面体单元基于自适应网格重剖分的FSW模型通常采用四面体网格作为初始网络和更新网络六面体单元：与四边形等叁单元类似，六面体单元也分为线性单元、二阶单元和三阶单元。线性单元有8个节点，二阶单元有20个节点，三阶单元有32个节点基于任意欧拉和拉格朗日网络技术的FSW模型通常采用六面体网格进行网格划分和网格控制数值积分：Newton-Cotes积分、Gauss积分本构方程：非率相关本构模型、率相关本构模型、Perzyna模型、Duvaut-Lion模型、Cowper-Symonds过应力模型非率相关本构模型：von Mises 屈服条件、Tresca 屈服条件在搅拌摩擦焊的自适应网格重剖分模型中，更多的是使用Arrhenius 方程描述在高温下合金应变率流应力与温度之间的关系数值模型：移动热源模型、顺序热力耦合模型、欧拉模型和任意拉格朗日-欧拉模型、自适应网格重剖分模型、光滑粒子法数值模型、流体力学模型移动热源模型：面热源模型、面-体热源模型、自适应面热源模型、自适应面-体热源模型。目前采用移动热源模型方法可以模拟搅拌摩擦焊过程中的温度场变化，有限元网格通常采用在焊缝附近局部加密，以保证求解的精度。面热源模型只考虑轴肩与构件之间的摩擦生热，热流密度可表示为面-体热源模型在数值模拟中，热量分布在搅拌头轴肩和搅拌针两个区域，分别用面热源和体热源进行模拟自适应面热源模型假定搅拌头与材料无相对滑移，材料跟随搅拌头塑性流动，材料剪切流变应力为搅拌头与构件之间的剪切应力。自适应面-体热源模型当使用螺纹型搅拌针时，搅拌针的产热包括对材料剪切做功，螺纹表面摩擦做功，搅拌针表面摩擦做功。当使用锥形搅拌针时，轴肩和搅拌针的热输入量都会发生变化。瞬态温度场与稳态温度场主要的差别是瞬态温度场的场函数温度不仅是空间域的函数，而且还是时间域的函数。顺序热力耦合模型通过移动热源获得的温度场，将温度场转换为热载荷，进行热力耦合分析计算，即为此时的模型，该模型适用于搅拌摩擦焊构件残余应力的数值模拟。焊接过程中伴随着剧烈的温度变化，需要考虑材料的非线性性质。应力与应变变形为非线性关系，但是在一个微小的应变增量步内应力和应变可以看成线性关系。焊接过程中，材料不仅经历弹塑性变形，而且伴随着温度的变化，则屈服函数是应力和温度的函数。欧拉模型和任意拉格朗日-欧拉模型：欧拉网格、ALE网格。ALE 网格模型中焊接构件的边界条件如图，在边界处为欧拉网格，用以定义入口和出口流动，等效为搅拌头反方向的平移，除流动方向，欧拉边界的其他运动均要被固定。在欧拉边界内部，采用ALE 网格控制。在搅拌摩擦焊数值模拟中，需要将搅拌头-焊接构件接触面法线向方向的网格设置为拉格朗日型，而切向和内部垂