搅拌摩擦焊刚粘塑性动力显式算法有限元模拟初步研究

论文摘要

搅拌摩擦焊接作为新型固相连接方法，具有焊接材料兼容性好、接头性能高等特点，广泛使用在航空航天、汽车、船舶制造等工业领域。目前，对于搅拌摩擦焊接接头组织形成机理的研究尚处于探索阶段。数值模拟能够再现焊缝金属的塑性变形及流动，避免了耗时耗资的重复试验，是帮助了解搅拌摩擦焊接接头组织形成机理的实用、高效的研究手段。本文开展了搅拌摩擦焊接刚粘塑性动力显式算法的若干关键技术的研究，研究开发了搅拌摩擦焊接过程有限元分析程序及其后置处理系统，对搅拌摩擦焊接技术的运用和发展具有重要意义。本文的主要研究内容与结果如下：运用虚功率方程建立了搅拌摩擦焊接过程刚粘塑性动力显式算法有限元方程，推导出了位移形式的中心差分求解时间积分显式，避免了由材料、几何、接触非线性等引起的收敛问题；推导出了刚粘塑性动力显式算法中由节点位移计算单元应力、应变的计算格式。针对搅拌摩擦焊接动力有限元计算中存在的非线性接触问题，提出了搅拌头与工件接触问题的一般解法，即全局搜索和局部搜索的两步法。同时，建立了搅拌头与工件之间的接触力学模型，用于计算法向接触力和切向摩擦力。分析了由于一点积分引起显式算法有限元分析中出现的砂漏问题，确定出适用于搅拌摩擦焊接过程分析的砂漏控制算法。基于仿真系统的系统分析和设计，进行数据结构设计、数据流图分析和设计，并对求解器模块中的一些关键技术进行了研究。采用模块化的设计方法，编制了三维搅拌摩擦焊接过程刚粘塑性动力显式算法有限元分析程序，求解计算了搅拌头旋转下压过程中工件的应力、应变分布。采用面向对象的方法，对后置处理系统进行了需求分析、功能模块划分、类图划分和设计，建立了系统框架，完成了后置处理系统的各功能模块的设计与开发。该后置处理系统很好的实现了搅拌摩擦焊接过程中工件变形以及产生的应力、应变分布等显示。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 有限元法的发展概况
• 1.2.2 有限元求解方法的研究现状
• 1.2.3 有限元法在搅拌摩擦焊接过程中的应用
• 1.3 选题的背景和意义
• 1.4 本文的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 FSW 刚粘塑性动力显式有限元模拟中关键技术处理
• 2.1 引言
• 2.2 搅拌摩擦焊接过程三维模型的建立
• 2.2.1 搅拌摩擦焊塑性变形基本方程
• 2.2.2 动力分析的虚功（率）方程和变分方程
• 2.2.3 动力分析显式算法有限元方程
• 2.2.4 显式时间积分的中心差分求解
• 2.2.5 显式时间积分的计算步长
• 2.2.6 显式时间积分的应变几何矩阵
• 2.3 应力应变的显式计算格式
• 2.4 接触算法
• 2.4.1 接触边界条件
• 2.4.2 全局搜索
• 2.4.3 局部搜索
• 2.4.4 接触力计算与摩擦处理
• 2.5 砂漏控制
• 2.6 本章小结
• 第3章 搅拌摩擦焊仿真系统开发
• 3.1 引言
• 3.2 FSW 仿真系统分析与设计
• 3.2.1 系统分析
• 3.2.2 系统设计
• 3.3 软件系统数据流图
• 3.4 输入数据准备
• 3.4.1 网格数据准备
• 3.4.2 材料参数准备
• 3.4.3 控制数据准备
• 3.5 数据读入与输出
• 3.6 FSW-FORM 求解器系统若干关键技术
• 3.6.1 接触力计算模块
• 3.6.2 局部搜索模块
• 3.6.3 节点内力和砂漏控制力计算模块
• 3.7 基于 OpenGL 和 MFC 类库的软件后置处理系统开发
• 3.7.1 OpenGL 与 MFC 类库概述
• 3.7.2 系统中 MFC 与 OpenGL 的功能划分
• 3.7.3 软件需求分析
• 3.7.4 软件模块划分
• 3.7.5 类图划分与设计
• 3.8 本章小结
• 第4章 搅拌摩擦焊接过程有限元模拟实例
• 4.1 引言
• 4.2 有限元模型建立
• 4.3 搅拌头周围的应力应变
• 4.4 下压量对工件金属塑性变形的影响
• 4.5 旋转速度对工件金属塑性变形的影响
• 4.6 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