6063铝管/304钢管电液胀形连接性能与数值模拟研究

摘要

电液胀接是一种基于电液成形的塑性连接工艺。其连接性能可靠、适应性较高，在航空飞行器发动机以及汽车框架等领域有着广阔的应用前景。为了解决异种高强度材料连接问题，本文采用304不锈钢和6063铝管为试验材料，从数值模拟、连接性能、宏微观形貌等角度对接头的力学性能进行研究。　　首先利用LS-DYNA商业软件，采用有限元方法模拟电液胀接过程中金属丝爆炸以及内管的变形情况。数值模拟模型以能量沉积曲线作为输入能量，分析内管轴向截面和径向截面关键节点的速度、应力分布情况。对内管在胀接过程的速度分析可以得出，内管材料在42μs达到最大值48m/s，同一水平高度上的速度分布一致，相应的变形量也很均匀。45μs左右，内管的表面的等效应力达到最大值235.8MPa，内管产生明显的变形大部分材料嵌入外管的凹槽中。定义内管的平均变形量和嵌入率表达式，研究发现随着放电电压的增加三种不同类型槽口下内管的变形量都有着明显提高。外管的槽口越宽内管材料越容易流入相应的凹槽中，在相同的放电电压下，外管槽口越宽内管的变形量越大；4mm槽口由于开口较窄，放电电压的提高不能很好的增大内管的变形量，8mm号槽口开口偏大能量利用率不高，因此确定工艺试验的研究对象为6mm槽口。　　然后对比不同工艺参数下，电液胀接件连接性能的优劣发现金属丝越细、长度越短、放电电压越大，电液胀接接头的峰值载荷越高，接头的力学性能越好；采用中心组合设计法优化三种试验参数，建立响应面和回归方程，峰值载荷的实际值分布在回归方程拟合直线的两侧。从三维响应面中可以看出，放电电压和金属丝长度对连接性能的交互影响作用不强，放电电压和金属丝直径以及金属丝直径、长度的非线性交互作用明显。确定工艺参数的变化范围，最终得到当放电电压为10kV，金属丝长度和直径分别为5.16mm，1.12mm时，最优峰值载荷为25.89kN。　　最后从宏微观层面，探究了不同工艺参数下电液胀接接头的宏微观特征，通过内管的变形程度对标有限元模型，误差可以控制在6%以内；电液胀接过程中内管在径向方向的位移对接头的连接性能有着很大的影响，定义内管变形α角和内管接触长度γ；研究发现随着放电电压的增大内管变形程度越大，相应的α角越小，接触长度γ越大，接头的连接性能越好。对内管变形前后晶粒特征变化进行表征分析可以发现，晶粒沿着特定方向的拉长细化使得该区域材料硬化从而增加接头的连接性能。根据实际工艺试验建立两种不同的接头失效模式，通过有限元模型分析电液胀接接头在拉脱失效过程中的变化情况，工艺试验和数值模拟可以很好的吻合。

目录

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2塑性连接技术发展概况

1.2.1磁脉冲压接

1.2.2滚压连接

1.2.3挤压和液压连接

1.3电液成形工艺及研究现状

1.4目前存在的一些问题

1.5本文的选题意义及主要研究内容

第2章基于电液成形6063铝合金-304不锈钢电液胀接数值模拟分析

2.1引言

2.2电液胀接过程简介

2.3基于LS-DYNA数值模拟中的简化

2.3.1刚体定义简化

2.3.2等离子通道部分简化

2.4有限元模型与加载方式

2.4.1网格划分与求解

2.4.2材料模型

2.4.3接触定义和边界条件

2.4.4加载方式

2.5电液胀接模拟结果分析

2.5.1胀接过程分析

2.5.2内管速度分布

2.5.3内管的应力分布

2.5.4内管变形情况的分析

2.6本章小结

第3章 6063铝合金电液胀接工艺试验研究和优化

3.1引言

3.2电液胀接试验条件

3.2.1试验设备与工装

3.2.2 试验材料

3.2.3接头形式和处理方式

3.2.4试验方案

3.3电液胀接接头连接性能研究

3.3.1单一试验参数对胀接接头拉脱性能的影响

3.3.2基于响应面法的接头连接性能工艺参数优化

3.4本章小结

第4章电液胀接连接机理与失效研究

4.1引言

4.2.内管变形区域的宏、微观分析

4.2.1内管实际变形量分析

4.2.2内管变形特征及微观分析

4.3电液胀接接头连接失效模式

4.3.1定义拉脱失效模式

4.3.2模拟拉脱失效模式

4.4本章小结

总结与展望

参考文献

致谢