搅拌摩擦焊接构件残余应力的数值模拟

摘要

搅拌摩擦焊接是一种新型的固相连接技术，具有焊接接头性能好、节能、环保和适应性广等特点。该焊接方法在制造成本和焊接质量等方面具有许多优点，已经在航空、航天、高速列车、轮船、汽车等工业制造领域得到了越来越广泛的应用。 搅拌摩擦焊接过程中焊接接头的变形和残余应力分布是影响接头性能的重要因素，是工业生产中迫切需要解决的重要课题，因此研究接头变形及残余应力分布是非常必要和有意义的一项工作。 本文采用完全热力耦合模型，研究了轴肩尺寸对搅拌摩擦焊接过程中温度分布和材料变形的影响。并进一步建立了搅拌摩擦焊接残余应力数值模型，分析了焊接过程中构件的温度分布、材料变形和残余应力的分布特征以及搅拌头的受力状态。本文通过建立五种不同网格密度的焊接构件有限元模型，分析了网格密度对计算精度的影响。通过网格敏感性分析，选用了适合本文所用有限元模型的网格密度，研究了焊接速度、旋转速度等焊接参数对温度分布、外力做功及残余应力分布的影响。模拟结果与相关实验吻合良好。 各章节的安排如下： 第一章简要介绍了搅拌摩擦焊接的工艺特点、应用范围以及研究进展，内容包括对焊接接头的温度场、力学性能以及焊接过程中工艺参数的研究；最后介绍了本文的工作。 第二章主要介绍了利用有限元方法求解热分析问题的相关算法，内容包括理想弹塑性材料的本构方程、瞬态热传导模型、热力耦合问题的动力学显式求解方程以及构建模型过程中需要用到的质量放大、ALE网格等技巧。 第三章利用基于固体力学的完全热力耦合模型，研究了轴肩尺寸对焊接过程中温度分布及材料变形的影响。 第四章主要研究了搅拌摩擦焊接过程中纵向残余应力的分布特征、搅拌头受力分析、网格敏感性分析及在此基础上焊接参数对残余应力的影响。 结论总结全文，并展望进一步的研究内容和工作。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1搅拌摩擦焊接工艺简介

1.2搅拌摩擦焊接研究进展

1.2.1搅拌摩擦焊接温度场研究

1.2.2搅拌摩擦焊接接头力学性能研究

1.2.3搅拌摩擦焊接工艺参数研究

1.3本文研究内容

2有限元方法求解热分析问题的相关算法

2.1本构方程

2.2热传导模型

2.3热力耦合问题的动力学显式求解

2.4接触定义

2.5计算成本评估

2.6 ALE方法

2.7本章小结

3轴肩尺寸对搅拌摩擦焊接过程中温度分布及材料变形的影响

3.1有限元模型及边界条件

3.2计算结果讨论

3.2.1搅拌摩擦焊接温度分布

3.2.2搅拌摩擦焊接材料变形

3.3本章小结

4搅拌摩擦焊接残余应力及网格敏感性分析

4.1 搅拌摩擦焊接接头残余应力分布及搅拌头受力分析

4.1.1有限元模型及边界条件

4.1.2计算结果讨论

4.1.3结论

4.2网格敏感性分析

4.2.1有限元模型及边界条件

4.2.2计算结果讨论

4.2.3结论

4.3焊接参数对搅拌摩擦焊接过程中温度及残余应力分布的影响

4.3.1有限元模型及边界条件

4.3.2计算结果讨论

4.3.3结论

4.4本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢