搅拌摩擦焊接热力耦合数值模拟

摘要

搅拌摩擦焊接作为一种新型的固相连接技术，成功解决了轻质金属如铝合金、镁合金等的焊接难题，具有低耗能、低污染以及接头性能良好等优点，已经广泛使用在航空航天、汽车、船舶制造等工业领域。尽管对于焊接接头的微观组织和力学性能已有很深入的研究，但是对于焊接接头形成的机理并没有一个清晰的解释，而且耗费大量的实验成本。 通过数值模拟可以了解在焊接过程中的温度场和材料变形等，可以减少重复实验，节约成本，而且能够通过进一步优化焊接参数，对搅拌摩擦焊接技术的应用和发展具有参考意义。 本文采用数值方法研究了在焊接过程中材料的温度场和材料变形等，先后建立了热分析以及完全热力耦合模型，对于焊接过程中温度场和塑性变形分布作了详细分析，并讨论了焊接参数的改变对材料的温度场和塑性变形的影响。各章节的安排如下： 第一章简要介绍了搅拌摩擦焊接近年来的发展状况以及研究进展，内容包括对焊接接头的微观组织、力学性能以及温度场的研究；在最后介绍了本文的工作。 第二章介绍了在搅拌摩擦焊接产热分析基础上建立的热传导模型。详细介绍了热传导计算有限元方法、几何模型以及数值计算模型构建的过程；对计算结果作了详细研究，并讨论了焊接参数变化对材料温度场的影响。 第三章介绍了基于有限元方法的完全热力耦合模型。详细介绍了动力学计算的有限元方法和构建模型中需要用到的质量放大、ALE网格等技巧；对计算结果作了详细分析，重点讨论了塑性变形历史以及焊接参数变化对塑性变形分布的影响，最后对模型的准确性作了验证性分析。 结论总结全文，并展望进一步的研究内容和工作。 本文的研究工作是国家自然科学基金资助项目(10302007)资助计划的一部分。

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搅拌摩擦焊接发展应用前景

1.3搅拌摩擦焊接研究进展

1.3.1搅拌摩擦焊接接头微观组织研究

1.3.2搅拌摩擦焊接接头力学性能研究

1.3.3搅拌摩擦焊接温度场研究

1.4本文工作

2温度场数值模拟

2.1有限元模型

2.2数值模型

2.2.1瞬态热传导方程

2.2.1简化热源

2.3结果讨论

2.4本章小结

3搅拌摩擦焊接热力耦合模型

3.1有限元模型及边界条件

3.2数值计算模型及求解

3.2.1材料的屈服与硬化

3.2.2 Newton-Raphson迭代

3.2.2动力学控制方程

3.2.2热传导模型

3.2.3稳定极限和质量放大

3.2.4 ALE网格

3.2.5接触模型

3.3计算结果讨论

3.3.1转速变化影响

3.3.2焊速变化影响

3.3.3轴肩压力影响

3.4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