钛合金搅拌摩擦焊接有限元分析

摘要

针对搅拌摩擦焊关于高熔点合金难以形成有效连接和搅拌头的磨损严重而导致失效过快等难题，依据高熔点金属焊接产热不足等特点，本文研究背部加热辅助搅拌摩擦焊接方法对钛合金板进行焊接，这种方法不仅可以起到焊前预热的效果，而且背部加热的引入一定程度上可减小摩擦力，搅拌头磨损的减小间接提高了搅拌头的使用寿命。依据搅拌摩擦焊接相关知识和有限元理论，针对搅拌摩擦焊接的特点，对高熔点钛合金背部辅助加热搅拌摩擦焊接热力耦合模型的建模方法进行了系统的研究。主要工作内容如下：
　　1.结合通用有限元分析软件COMSOL，建立搅拌摩擦焊接几何模型。
　　2.利用JmatPro软件计算得到搅拌头材料H13与TC4钛合金焊材与温度相关的热物理性质，从而定义了随温度变化的材料本构模型。
　　3.应用数值模拟理论、傅立叶定律、有限元法、热力学基本理论，并借鉴了M. Song和R. Kovacevic关于移动坐标系的控制方程的思想，建立了与搅拌摩擦焊接工艺参数相关的热力耦合模型。
　　4.分别对搅拌摩擦焊接过程温度分布与应力应变等几方面进行动态模拟。
　　5.基于所建立的FSW焊接模型分析背部辅助搅拌摩擦焊接与普通搅拌摩擦焊接在焊接高熔点金属时热效应及焊接应力应变场的不同，这对于认清背部加热搅辅助拌摩擦焊法的焊接作用规律及机制是十分重要的，为高熔点金属的搅拌摩擦焊接新技术提供的理论指导。
　　分析结果表明：相对于传统搅拌摩擦焊接，背部加热辅助搅拌摩擦焊接可增加焊接热输入、提高焊核区的整体加工温度与焊接效率、增强材料搅拌的充分性、有效控制焊后残余应力等的优势。

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第1章 绪论

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 有限元法及背部加热辅助FSW法

2.1 有限元分析（FEA）方法与及基本原理

2.2 刚塑性有限元法

2.3 多物理场耦合软件COMSOL

2.4 背部加热辅助搅拌摩擦焊接工艺介绍

2.5 本章小节

第3章 搅拌摩擦焊接热力耦合模型建立

3.1 搅拌摩擦焊接导热分析

3.2 材料模型

3.3 计算模型

3.4 模拟参数设置

3.5 本章小节

第4章 搅拌摩擦焊接仿真结果与分析

4.1 温度场计算结果与分析

4.2 应力应变计算结果与分析

4.3 本章小节

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢