铝合金平板搅拌摩擦焊应变与疲劳预测研究

摘要

搅拌摩擦焊接过程中，焊缝区域会存在比较大的温度梯度，并且温度场会随着搅拌头的移动而发生变化。这种在时间以及空间上的不均匀加热以及冷却过程，都会引起焊接残余应力以及残余变形，焊接残余应力会影响结构件的损伤容限和疲劳寿命，残余变形则会影响构件的装配，所以研究搅拌摩擦焊的残余应力分布、残余变形以及疲劳寿命都具有一定的工程实用价值。虽然实验手段可以研究其残余状态，但是容易受到周围环境的影响且时间周期比较长，所以采用数值方法对搅拌摩擦焊过程进行研究是非常有必要的。
　　本文中采用数值模拟的方法研究了平板对接焊的温度场、残余应力场分布以及焊后变形，并且使用单一变量控制法，通过改变不同的焊接参数对搅拌摩擦焊的过程分别研究;然后开展焊接残余应力对焊接构件疲劳影响的研究。本文中的各章节安排如下:
　　第一章对搅拌摩擦焊接技术的研究进展进行了综述，主要包括搅拌摩擦焊的焊接原理以及焊接工艺参数、搅拌摩擦焊接构件的温度场、搅拌摩擦焊接构件残余状态、搅拌摩擦焊接接头处微观组织的分布以及疲劳性能的研究，并概述了本文中的主要工作内容。
　　第二章介绍了搅拌摩擦焊接热力耦合模型的基本理论。
　　第三章建立了顺序热力耦合有限元模型，并且将通过ABAQUS子程序编写了搅拌头移动热源的程序，对搅拌摩擦焊的焊接过程进行数值模拟仿真。
　　第四章通过对搅拌摩擦焊接的顺序热力耦合仿真分析，获得了焊接温度场、应力场分布以及焊接残余变形的分布云图及变化曲线，得出一般性规律:在搅拌摩擦焊接过程中温度场的分布以搅拌头为中心向四周呈现半椭圆的分布;残余应力主要分布在焊缝区域，且主要以纵向残余应力为主，在垂直于焊缝方向呈现“M”状分布，沿着焊缝方向呈现抛物线分布;焊接变形主要在焊缝区域呈现向下凹的趋势。
　　第五章使用控制变量法，对搅拌摩擦焊的焊接工艺参数搅拌头的转速、焊接速度、轴肩半径进行控制，研究焊接参数对搅拌摩擦焊的温度场以及残余应力场的影响规律。
　　第六章研究了残余应力对焊接构件疲劳的影响。研究发现在焊缝处的残余应力主要与拉伸残余应力的形式存在，并且由于拉伸残余应力的存在降低了构件的疲劳寿命，可以通过改变焊接参数从而减小焊缝处的残余应力，从而提高焊接构件的寿命。
　　第七章对本文中的工作做了总结，并对以后的工作做了展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 搅拌摩擦焊焊接工艺简介

1．2．1 搅拌摩擦焊原理

1．2．2 搅拌摩擦焊参数与特点

1．2．3 搅拌摩擦焊的发展应用

1．3 国内外数值模拟研究进展

1．3．1 搅拌摩擦焊温度场数值模拟研究

1．3．2 搅拌摩擦焊残余状态研究

1．3．3 搅拌摩擦焊接头微观组织研究

1．3．4 疲劳研究现状

1．4 主要研究内容

第二章 搅拌摩擦焊数值模拟理论基础

2．1 引言

2．2 瞬态热传导方程

2．2．1 三维瞬态传热方程基本方程

2．2．2 焊接非线性热传导有限元分析

2．3 数值计算模型及求解

2．3．1 材料的屈服与硬化

2．3．2 Newton-Raphson迭代

2．3．3 动力学控制方程

2．3．4 热传导模型

2．3．5 接触定义

2．4 有限元法求解热应力问题

2．4．1 应力应变关系

2．4．2 热-弹-塑性问题的求解过程

2．5 本章小结

第三章 搅拌摩擦焊有限元模型建立

3．1 ABAQUS有限元软件

3．2 搅拌摩擦焊接过程

3．3 搅拌工具的热输入模型

3．3．1 轴肩产热计算

3．3．2 搅拌针产热计算

3．3．3 温度场分析

3．4 建模过程

3．5 本章小结

第四章 搅拌摩擦焊的温度场与应力分布规律

4．1 耦合场的有限元分析介绍

4．2 焊接过程整体温度分布规律

4．2．1 X轴方向的温度分布规律

4．2．2 Y轴方向的温度分布规律

4．2．3 Z轴方向的温度分布规律

4．3 焊接应力场分布

4．3．1 焊接过程中应力场变化

4．3．2 焊接残余应力分布

4．3．3 应变

4．4 本章小结

第五章 利用控制变量法对FSW温度场和残余应力场分析

5．1 概述

5．2 轴肩半径对温度场及残余应力的影响

5．2．1 轴肩半径对温度场的影响

5．2．2 轴肩半径对残余应力的影响

5．3 转速对温度场及残余应力的影响

5．3．1 旋转速度对温度场的影响

5．3．2 旋转速度对残余应力场的影响

5．4 焊接速度对温度场及残余应力的影响

5．4．1 焊接速度对温度场的影响

5．4．2 焊接速度对残余应力的影响

5．5 焊缝截面等效塑性应变分布

5．6 本章小结

第六章 搅拌摩擦焊疲劳性能的研究

6．1 引言

6．2 焊接疲劳

6．2．1 疲劳构件的分析理论基础

6．2．2 疲劳寿命的估算方法

6．3 残余应力对疲劳的影响研究

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果