搅拌摩擦表面处理数值模拟

发布时间：2017-04-10 21:38

  本文关键词：搅拌摩擦表面处理数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：搅拌摩擦表面处理是在搅拌摩擦焊基础上发展而来的一种新型固态表面加工技术,在金属材料的微观结构改性、表面晶粒细化以及金属基复合材料制备等方面,具有广阔的工程应用前景。然而国内外对该加工过程内在机理的研究相对较少,一些关键的问题,如搅拌摩擦表面处理过程中的产热和传热机制、热塑性材料的流动、应力和应变的分布等等,都还没有得到深入的研究,一定程度上限制了该技术的推广和应用。基于以上考虑,本文建立了搅拌摩擦表面处理的热力耦合模型,分别对该加工过程中工件内部的温度场、应力场和塑形应变场进行了探讨。对模拟所得的温度场进行重点分析,发现最高温度区域出现在搅拌头端面圆心与其边缘的中点;温度的上升存在边际递减,随着温度提高,其上升幅度会逐渐下降。当工件的尺寸和材料一定时,其必然存在一个稳定温度,到达该温度后,延长搅拌头在工件中的停留时间不会显著改变温度的大小和分布;由模拟正交试验可知,搅拌头旋转速度对温度的影响较大,行进速度次之,下压量影响最小。考察了搅拌摩擦表面处理的残余应力场,结果表明,工件上表面的纵向残余应力呈马鞍状分布,前进侧残余应力略大于后退侧。在厚度方向上,随着与工件上表面的距离增加,纵向残余应力的峰值不断变小。采用所建模型计算了工件内部等效塑形应变场的分布,发现其与温度场的分布规律十分相似。但不同于温度场,等效塑性应变在厚度方向上分布较浅,且梯度较大;对加工区域横截面上的金相组织结构进行分析,可知等效塑性应变是决定搅拌摩擦区厚度和分布的主要因素;在文章的最后,本文还探讨了超声波加入对搅拌摩擦表面处理过程温度场的影响。通常超声波加载方式有横向和纵向两种,分别针对这两种加载方式建立了数值模型。模拟结果显示,横向超声振动能够显著提高加工区域内侧的温度,使加工区域各处的温度更均匀,而纵向超声振动对温度场并无明显影响;此外,还考察了超声波参数的影响,发现增大频率或增幅,都能进一步提高加工区域的温度,减小加工区域各处的温度差。
【关键词】：搅拌摩擦表面处理 数值模拟 温度场 等效塑形应变场 超声波
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG453.9;TG663
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-28
• 1.1 搅拌摩擦表面处理技术9-10
• 1.2 搅拌摩擦表面处理技术研究进展10-11
• 1.3 超声辅助搅拌摩擦表面处理技术研究进展11-13
• 1.4 搅拌摩擦表面处理温度场数值模型的研究进展13-26
• 1.4.1 产热模型14-18
• 1.4.2 接触模型18-22
• 1.4.3 传热模型22-25
• 1.4.4 材料模型25-26
• 1.5 本课题研究目的及内容26-28
• 1.5.1 研究目的及意义26-27
• 1.5.2 研究内容27-28
• 第2章 搅拌摩擦表面处理热力耦合模型28-51
• 2.1 有限元软件介绍28
• 2.2 几何模型及网格划分28-29
• 2.3 几种关键模型的建立29-45
• 2.3.1 材料热物理性能29-30
• 2.3.2 材料本构模型30-32
• 2.3.3 摩擦热模型32-40
• 2.3.4 热输出模型40-45
• 2.4 分析步与边界条件45
• 2.5 模型验证45-50
• 2.5.1 实验设备46-47
• 2.5.2 试验验证47-50
• 2.6 本章小结50-51
• 第3章 FSP数值模拟结果分析与讨论51-77
• 3.1 FSP温度场研究51-66
• 3.1.1 不同加工阶段的瞬时温度场51-58
• 3.1.2 温度曲线特征58-62
• 3.1.3 加工参数对温度场的影响62-66
• 3.2 残余应力分析66-68
• 3.3 等效塑性应变68-70
• 3.4 FSP金相组织结构分析70-75
• 3.5 本章小结75-77
• 第4章 超声辅助搅拌摩擦表面处理数值模拟77-91
• 4.1 超声波的作用77
• 4.2 超声波在模型中的处理77-78
• 4.3 超声辅助搅拌摩擦表面处理数值模拟结果分析78-90
• 4.3.1 横向超声振动对UAFSP过程温度场的影响78-85
• 4.3.2 超声波参数对横向振动UAFSP过程温度场的影响85-87
• 4.3.3 纵向超声振动对UAFSP过程温度场的影响87-90
• 4.4 本章小结90-91
• 第5章 总结与展望91-93
• 5.1 本文工作总结91-92
• 5.2 本文创新点92
• 5.3 展望92-93
• 参考文献93-98
• 致谢98-99
• 在学期间发表的学术论文99

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