搅拌摩擦焊接过程中材料行为及力学响应的数值模拟

论文摘要

搅拌摩擦焊接是一种在机械力和摩擦热作用下的新型固态焊接技术，在接头力学性能和生产效率上具有较高的优越性，具有低缺陷、高强度以及环保等特点，同时，搅拌摩擦焊接技术可以对包括铝合金、镁合金、铜合金等多种材料的板状构件实现对接或搭接，另外，搅拌摩擦焊接可以较容易实现异种材料的连接。搅拌摩擦焊接技术已经开始在航空航天、汽车和船舶制造等科技领域得到广泛应用。搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头不断旋转并插入焊接工件中，搅拌头和焊接工件之间的摩擦剪切阻力导致摩擦热的产生，并促使搅拌头临近区域的材料热塑化，当搅拌头移动时，搅拌头周围的热塑化材料由于搅拌头的作用而发生迁移，并在轴肩和工件之间产生的摩擦热以及锻压的共同作用下，形成致密的固相连接接头。因此，正确认识搅拌摩擦焊接中金属迁移流动的规律对于建立正确的搅拌摩擦焊接过程理论并指导搅拌摩擦焊接技术的未来发展具有重要意义。尽管可以采用试验手段了解搅拌摩擦焊接构件焊缝金属材料的迁移情况，然而由于搅拌摩擦焊接过程的复杂性和搅拌摩擦焊接技术本身的特点，无法通过试验直接观测到材料流动的过程，因此，对搅拌摩擦焊接的数值模拟是非常必要的，通过对搅拌摩擦焊接过程的数值研究，可以了解搅拌摩擦焊接过程中材料的传输过程、材料的变形情况以及焊接构件的残余应力，并可以进一步研究焊接质量与焊接参数之间的可能联系。数值模拟与试验研究相辅相成，避免了费时耗资的重复试验，对搅拌摩擦焊接技术的发展和应用具有重要意义。本文采用数值手段分析了焊接参数的变化对搅拌摩擦焊接过程的影响，并对搅拌摩擦焊接过程中搅拌头周围材料的传输形式进行了详细分析。对搅拌摩擦焊接过程中的动态再结晶过程进行分析，并研究焊接参数的变化对搅拌摩擦焊接过程中动态再结晶过程的影响，并根据晶粒尺寸的变化分析焊缝中材料硬度的变化。各章节的安排如下：第一章综述了自搅拌摩擦焊接技术发明以来所取得的研究进展，内容包括对搅拌摩擦焊接工艺参数的研究、对对焊接过程中材料流动的研究、对搅拌摩擦焊接构件显微结构的研究、搅拌摩擦焊接接头力学性能的研究、搅拌摩擦焊接过程中的温度场研究以及异种材料的搅拌摩擦焊接。在最后的部分概述了本文的研究内容。第二章介绍了塑性变形的物理本质，给出了晶粒尺寸的演化公式以及硬度和晶粒大小的关系式，然后介绍了非率相关本构模型及其算法、率相关本构模型及其图形返回算法，对求解的计算成本进行了简要的分析，给出了搅拌摩擦焊接过程数值仿真的求解加速方法，通过数值算例验证了所提出的求解加速方法的正确性和有效性。第三章给出了非率相关本构模型的二维搅拌摩擦焊接过程的数值计算结果，对不同过程参数情况下前进侧与后退侧材料的不同流动形式进行了分析，得到了与试验一致的结果，从而证明了本章所建立的搅拌摩擦焊接数值模型的有效性和正确性。对搅拌摩擦焊接过程中搅拌头周围材料流动形成旋涡的过程进行了分析，研究了搅拌头周围材料的分层流动、搅拌头周围材料的应力应变、搅拌摩擦焊接过程中的能耗以及焊接完成后搅拌摩擦焊接构件的残余应力分布。通过对不同工况下搅拌头应力分布的分析研究了焊接参数变化对搅拌摩擦焊接过程中搅拌头应力分布的影响。第四章研究了非率相关本构模型的三维搅拌摩擦焊接过程，对三维情况下搅拌头周围材料的流动以及垂直于焊缝截面上材料的变形分布进行了分析，并研究焊接参数的变化对材料流动和变形的影响。通过对垂直于焊缝截面上的等效塑性应变和显微结构的对比可以发现两者之间存在较好的对应关系，因此，通过对不同过程参数情况下垂直于焊缝截面上的等效塑性应变分布的研究可以从理论上判断焊接参数的变化对搅拌摩擦焊接构件质量的影响。第五章中采用率相关本构关系建立了搅拌摩擦焊接的数值模型。采用图形返回算法对经典的von Mises率相关模型的一般化形式进行求解，研究材料粘性的变化对搅拌摩擦焊接过程中材料行为以及搅拌头周围应力分布带来的影响，并分析了焊接参数对材料动态再结晶行为的影响。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(10302007，10225212，10421202)、长江学者和创新团队发展计划、国家基础性发展规划项目(2005CB321704)资助计划的一部分。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 搅拌摩擦焊接的研究现状
• 1.2.1 搅拌摩擦焊接工艺参数研究
• 1.2.2 焊接过程中材料流动的研究
• 1.2.3 搅拌摩擦焊接构件显微结构的研究
• 1.2.4 搅拌摩擦焊接接头力学性能的研究
• 1.2.5 搅拌摩擦焊接过程中的温度场研究
• 1.2.6 异种材料的搅拌摩擦焊接
• 1.3 本文工作
• 2 材料本构模型及相关算法
• 2.1 引言
• 2.2 塑性变形的物理学本质
• 2.3 本构方程中的客观率
• 2.4 非率相关材料的本构方程及求解
• 2.4.1 非率相关塑性的屈服和硬化
• 2.4.2 非率相关塑性应变率的分解
• 2.4.3 Newton-Raphson迭代
• 2.4.4 非率相关材料本构模型的求解
• 2.5 率相关材料的本构方程及求解
• 2.5.1 率相关模型
• 2.5.2 Perzyna模型
• 2.5.3 Duvaut-Lion模型
• 2.5.4 Cowper-Symonds过应力模型
• 2.5.5 图形返回算法
• 2.6 热力耦合问题的动力学显式求解
• 2.7 计算成本以及求解加速
• 2.8 数值算例
• 2.9 小结
• 3 搅拌摩擦焊接过程的二维模拟
• 3.1 引言
• 3.2 二维搅拌摩擦焊接数值模型描述
• 3.3 二维搅拌摩擦焊接数值模型计算结果
• 3.3.1 材料流动形式
• 3.3.2 材料流动的速度场
• 3.3.3 搅拌头周围的应力应变
• 3.3.4 残余应力分布
• 3.3.5 搅拌摩擦焊接中的能耗
• 3.3.6 搅拌头的受力分析
• 3.4 异种金属间的搅拌摩擦焊接
• 3.5 小结
• 4 搅拌摩擦焊接过程的三维模拟
• 4.1 引言
• 4.2 三维搅拌摩擦焊接模型
• 4.3 三维搅拌摩擦焊接数值模型计算结果
• 4.3.1 材料流动
• 4.3.2 等效塑性应变及显微结构分布
• 4.3.3 由等效塑性应变判断焊接参数对焊接质量的影响
• 4.3.4 搅拌针-焊接构件接触面压力
• 4.4 对非直线焊缝搅拌摩擦焊接的模拟
• 4.5 小结
• 5 采用率相关模型模拟搅拌摩擦焊接过程
• 5.1 引言
• 5.2 有限元模型
• 5.3 使用Cowper-Symonds模型模拟搅拌摩擦焊接过程
• 5.4 采用率相关模型模拟搅拌摩擦焊接过程
• 5.4.1 二维情况
• 5.4.2 三维情况
• 5.4.3 采用率相关计算模型判断焊接质量
• 5.4.4 搅拌摩擦焊接过程中的动态再结晶
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢