基于ABAQUS的搅拌摩擦焊仿真模拟分析
发布时间：2021-03-08 05:19
搅拌摩擦焊是于1991年由英国焊接研究所发明的一种新型的固态连接方法。近些年来国内外对搅拌摩擦焊焊接过程做了大量研究,对于搅拌摩擦焊的有限元模拟,通常采用加载简化热源的准静态法和在只对稳定焊接阶段模拟的动力学法。而对于整个焊接过程模拟的动力学法目前还鲜有研究报道。因此本文基于热弹塑性法、JC本构方程和罚接触算法,提出一种新的动力学热-力耦合有限元模型对完整焊接过程进行有限元模拟分析。将分析结果与传统加载简化热源的分析结果以及残余应力的实验结果进行对比验证。然后采用传统方法分析焊接参数（焊接速度、转动速度、下压力和轴肩半径）对焊接过程中的温度场和焊后残余应力场的影响规律。最后建立焊接参数的优化模型,采用正交实验优化方法对其进行优化设计。研究结果表明:（1）本文提出新的动力学热-力耦合有限元分析模型的结果较传统方法更贴近实验结果,证明本文建立有限元模型正确合理;（2）下压预热阶段温度场高温区集中在焊缝区域,温度峰值达到400℃左右,位于靠近AS区焊趾一侧,加工阶段搅拌头前侧温度梯度大分布范围小,而后侧温度梯度小分布范围大;（3）焊后纵向残余应力场在路径EF上的分布曲线呈明显双峰趋势,应力峰...
【文章来源】：大连交通大学辽宁省
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１搅拌摩擦焊示意图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｆｒｉｃｔｉｏｎ?ｓｔｉｒ?ｗｅｌｄｉｎｇ??搅拌摩擦焊的工艺参数包括转速、焊速、倾角和轴向压力
?大连交通大学工学硕士学位论文???焊接要求将两块板在垫板上夹紧，搅拌头从上板插进下板（同种金属搭接焊），并按即??定方向焊接。当然除了对接和搭接外，其他类型的焊接接头也不断的被应用于工业生产??中，如角接、Ｔ型接头等等Ｉ２，４］，如图１．２所示。??么／着欲Ｌ＂??⑷对接?（ｂ）搭接?（ｃ）?Ｔ型?（ｄ）角接??图１．２搅拌摩擦焊典型的接头形式??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｊｏｉｎｔｓ?ｆｏｒ?ｆｒｉｃｔｉｏｎ?ｓｔｉｒ?ｗｅｌｄｉｎｇ??１．１．３搅拌摩擦焊的技术应用??搅拌摩擦焊接技术自发明以来，已经在航空、航天、铁路机车、造船和汽车等工业??制造领域得到了广泛的工程应用。??造船业是最早采用搅拌摩擦焊接技术进行商业运作的行业之一，主要应用于船舶的??甲板、侧板和船体外壳等产品的生产制造过程中。很多企业利用这一技术进行大型挤压??铝材的焊接，而且造船用的搅拌摩擦焊接设备已经投入商业生产［５］。??在汽车工业中，福特汽车公司采用ＦＳＷ技术焊接中央隧道结构，用于燃料隔离箱??和其他内部部件的生产；马自达采用搅拌摩擦点焊（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ?Ｓｆｃ?Ｓｐｏｔ?Ｗｅｌｄｉｎｇ，简称??ＦＳＳＷ）技术为多达１００００辆车生产了后门结构，并申请了相关专利；日本富士重工业??公司实际应用ＦＳＷ进行了厚度１ｍｍ左右的薄铝合金板的对接［６］。??在航空航天制造领域，实现了飞机框架与外蒙皮的连接以及蒙皮与蒙皮的相互连接，??应用于运载火箭贮料箱、发动机承力框架、并在大飞机的机翼结构和舱门结构等方面也??得到广泛应用，例如，波音飞机公司采用搅拌摩擦焊接的焊接方法成功的实现了?Ｆ－１５??战机尾翼整流罩上薄壁Ｔ形
?大连交通大学工学硕士学位论文????７，?入丨???ｑ２——＾￣￣ｒ￣Ｑ＇??图２．１搅拌摩擦焊焊接过程产热示意图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｈｅａｔ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｎ?ｆｒｉｃｔｉｏｎ?ｓｔｉｒ?ｗｅｌｄｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ??有研宄发现ｐｍ，对于铝合金或者镁合金薄板进行有限元模拟时，搅拌摩擦焊焊接??过程中的产热可以认为都来自于搅拌头轴肩与焊板表面之间摩擦热Ｇ，这是由于铝合??金、镁合金的导热系数大，焊接时热量可以快速沿焊板厚度方向传向焊缝底部，同时搅??拌针与焊板摩擦面较小，所以搅拌针侧面与焊板之间的摩擦热込和搅拌针底面与焊板??之间的摩擦热仏很小可以忽略不计。另外焊接时焊板材料塑性变形小，从而这部分因塑??性变形的产热量Ｇ也小，自然该部分的产热也就忽略不计了。然而对于铝合金或者镁合??金厚板进行有限元模拟时，由于焊接时搅拌头轴肩与焊板表面之间接触摩擦面积大，同??时搅拌针与焊板摩擦面较大，所以搅拌针侧面与焊板之间的摩擦热ａ和搅拌针底面与??焊板之间的摩擦热ｆｔ较大，因此搅拌针部分的产热就不能在再忽略了。另外焊接时焊板??材料塑性变形较大，从而这部分因塑性变形的产热量２，也较大，也不能忽略。然而在有??限元模拟搅拌摩擦焊焊接过程中，对于塑性变形热２ｔ，一方面在有限元建模时很难对该??部分做精确的模拟，另一方面对于该部分热量，目前尚未有一个确切的数学模型去计算，??因而在有限元模拟搅拌摩擦焊焊接过程时常常忽略掉塑性变形热Ｇ，只考虑搅拌头轴??肩，搅拌针侧面和底面与焊板之间因摩擦生热而产生的热量ｇ、ａ、ａ。??２．?３．?２产热计算??对于搅拌摩擦焊
本文编号：3070485
【文章来源】：大连交通大学辽宁省
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１搅拌摩擦焊示意图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｆｒｉｃｔｉｏｎ?ｓｔｉｒ?ｗｅｌｄｉｎｇ??搅拌摩擦焊的工艺参数包括转速、焊速、倾角和轴向压力
?大连交通大学工学硕士学位论文???焊接要求将两块板在垫板上夹紧，搅拌头从上板插进下板（同种金属搭接焊），并按即??定方向焊接。当然除了对接和搭接外，其他类型的焊接接头也不断的被应用于工业生产??中，如角接、Ｔ型接头等等Ｉ２，４］，如图１．２所示。??么／着欲Ｌ＂??⑷对接?（ｂ）搭接?（ｃ）?Ｔ型?（ｄ）角接??图１．２搅拌摩擦焊典型的接头形式??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｊｏｉｎｔｓ?ｆｏｒ?ｆｒｉｃｔｉｏｎ?ｓｔｉｒ?ｗｅｌｄｉｎｇ??１．１．３搅拌摩擦焊的技术应用??搅拌摩擦焊接技术自发明以来，已经在航空、航天、铁路机车、造船和汽车等工业??制造领域得到了广泛的工程应用。??造船业是最早采用搅拌摩擦焊接技术进行商业运作的行业之一，主要应用于船舶的??甲板、侧板和船体外壳等产品的生产制造过程中。很多企业利用这一技术进行大型挤压??铝材的焊接，而且造船用的搅拌摩擦焊接设备已经投入商业生产［５］。??在汽车工业中，福特汽车公司采用ＦＳＷ技术焊接中央隧道结构，用于燃料隔离箱??和其他内部部件的生产；马自达采用搅拌摩擦点焊（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ?Ｓｆｃ?Ｓｐｏｔ?Ｗｅｌｄｉｎｇ，简称??ＦＳＳＷ）技术为多达１００００辆车生产了后门结构，并申请了相关专利；日本富士重工业??公司实际应用ＦＳＷ进行了厚度１ｍｍ左右的薄铝合金板的对接［６］。??在航空航天制造领域，实现了飞机框架与外蒙皮的连接以及蒙皮与蒙皮的相互连接，??应用于运载火箭贮料箱、发动机承力框架、并在大飞机的机翼结构和舱门结构等方面也??得到广泛应用，例如，波音飞机公司采用搅拌摩擦焊接的焊接方法成功的实现了?Ｆ－１５??战机尾翼整流罩上薄壁Ｔ形
?大连交通大学工学硕士学位论文????７，?入丨???ｑ２——＾￣￣ｒ￣Ｑ＇??图２．１搅拌摩擦焊焊接过程产热示意图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｈｅａｔ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｎ?ｆｒｉｃｔｉｏｎ?ｓｔｉｒ?ｗｅｌｄｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ??有研宄发现ｐｍ，对于铝合金或者镁合金薄板进行有限元模拟时，搅拌摩擦焊焊接??过程中的产热可以认为都来自于搅拌头轴肩与焊板表面之间摩擦热Ｇ，这是由于铝合??金、镁合金的导热系数大，焊接时热量可以快速沿焊板厚度方向传向焊缝底部，同时搅??拌针与焊板摩擦面较小，所以搅拌针侧面与焊板之间的摩擦热込和搅拌针底面与焊板??之间的摩擦热仏很小可以忽略不计。另外焊接时焊板材料塑性变形小，从而这部分因塑??性变形的产热量Ｇ也小，自然该部分的产热也就忽略不计了。然而对于铝合金或者镁合??金厚板进行有限元模拟时，由于焊接时搅拌头轴肩与焊板表面之间接触摩擦面积大，同??时搅拌针与焊板摩擦面较大，所以搅拌针侧面与焊板之间的摩擦热ａ和搅拌针底面与??焊板之间的摩擦热ｆｔ较大，因此搅拌针部分的产热就不能在再忽略了。另外焊接时焊板??材料塑性变形较大，从而这部分因塑性变形的产热量２，也较大，也不能忽略。然而在有??限元模拟搅拌摩擦焊焊接过程中，对于塑性变形热２ｔ，一方面在有限元建模时很难对该??部分做精确的模拟，另一方面对于该部分热量，目前尚未有一个确切的数学模型去计算，??因而在有限元模拟搅拌摩擦焊焊接过程时常常忽略掉塑性变形热Ｇ，只考虑搅拌头轴??肩，搅拌针侧面和底面与焊板之间因摩擦生热而产生的热量ｇ、ａ、ａ。??２．?３．?２产热计算??对于搅拌摩擦焊
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