搅拌摩擦焊塑性金属三维流动数值模拟

论文摘要

搅拌摩擦焊焊缝塑性金属三维流动是焊缝固态金属相互作用，形成结合焊缝的必要条件。本文利用有限元软件ABAQUS建立了带圆锥形光面搅拌针的搅拌摩擦焊热力耦合三维弹塑性有限元模型，通过采用材料位移质点跟踪法模拟得到焊接过程中焊缝塑性金属三维流动形态，并基于此，分析采用圆锥光面搅拌头进行焊接时焊缝金属三维流动特征及工艺参数对焊缝金属流动的影响。模拟结果表明，焊接稳态阶段焊缝的最高温度为材料熔点温度的82%，前进边温度梯度大于返回边，搅拌头前方的温度梯度大于搅拌头后方；焊缝前进边等效塑性应变大于返回边，塑性应变主要位于搅拌头后方焊接区。焊接过程中，靠近焊缝上表面的焊缝金属在轴肩的摩擦挤压作用下绕搅拌针作顺时针旋转，而靠近焊缝底面的焊缝金属在搅拌针旋推作用下迁移到搅拌头后方后并不再参与旋转；前进边焊缝金属呈弥散状沉积到搅拌头后方焊缝中心及前进边侧，少部分焊缝金属沉积到返回边侧；返回边焊缝金属以弧状层流的形式在搅拌针旋推作用下沉积到搅拌头后方返回边侧，部分靠近焊缝上表面的金属绕搅拌针旋转数周后呈弥散状沉积到前进边侧；搅拌针前方的焊缝金属呈弥散状沉积到搅拌头后方焊缝中心及前进边侧，只有少部分焊缝金属沉积到返回边侧。焊缝上表面及底面焊缝金属不发生明显的厚度方向迁移，部分焊缝金属在锥形搅拌针作用下往焊缝下部迁移并沉积，未沉积的焊缝金属跟随其余金属往焊缝上部迁移至靠近焊缝上表面的位置。在搅拌头转速不变的情况下降低焊接速度，使焊缝前进边、返回边及搅拌针前方的焊缝金属以更快的速度迁移到搅拌头后方产生沉积，同时使焊缝金属在厚度方向的迁移程度减小。而在焊接速度不变的情况下增大搅拌头旋转速度，同样使焊缝金属以更快的速度沉积到搅拌头后方，且使焊缝金属在厚度方向上的迁移程度减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 搅拌摩擦焊塑性金属流动研究现状
• 1.2.1 实验研究现状
• 1.2.2 数值模拟研究现状
• 1.3 选题的背景及意义
• 1.4 研究内容
• 第2章 搅拌摩擦焊塑性金属三维流动数值模拟的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 搅拌摩擦焊塑性金属流动模拟基本理论
• 2.2.1 基本方程及边界条件
• 2.2.2 弹塑性有限元方程
• 2.2.3 材料非线性本构关系
• 2.2.4 JOHNSON-COOK材料本构
• 2.2.5 塑性成形热力耦合基本理论
• 2.2.6 ALE算法
• 2.3 本章小结
• 第3章 搅拌摩擦焊三维弹塑性热力耦合模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 ABAQUS软件平台简介
• 3.3 搅拌摩擦焊弹塑性三维热力耦合有限元建模的关键技术
• 3.3.1 求解器的选择
• 3.3.2 几何模型的建立
• 3.3.3 材料模型
• 3.3.4 单元选择及网格划分
• 3.3.5 非自适应网格算例验证
• 3.3.6 ALE网格技术
• 3.3.7 边界条件处理
• 3.3.8 模型可靠性的验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 搅拌摩擦焊数值模型计算结果讨论与分析
• 4.1 引言
• 4.2 搅拌摩擦焊过程中场量分布规律分析
• 4.2.1 搅拌摩擦焊过程中温度场分析
• 4.2.2 搅拌摩擦焊过程中等效塑性应变场分析
• 4.3 搅拌摩擦焊过程中焊缝金属三维流动分析
• 4.3.1 焊缝金属水平流动特征分析
• 4.3.2 焊缝金属厚度方向流动特征分析
• 4.3.3 工艺参数对焊缝金属三维流动的影响
• 4.3.4 模拟结果与实验结果对比
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文
• 致谢