镍基高温合金线性摩擦焊接过程热力耦合数值分析

发布时间：2021-04-20 08:55

　　作为优质高效的固相焊接技术,线性摩擦焊接主要用来焊接非回转体结构的同种或异种材料结构件,是国际上航空发动机整体叶盘的主要制造工艺。目前,随着国内对航空发动机制造技术的不断重视,对线性摩擦焊接技术进行了大量的工艺探索,但急需有关基础理论研究的支撑。本文以镍基高温合金线性摩擦焊接为例,采用热力耦合有限元方法,充分考虑线性摩擦焊接过程的物理运动特点,以材料力学和热物理性能及焊接工艺为基础,基于修正库伦摩擦模型的摩擦剪切力计算瞬时摩擦产热,并结合塑性变形能共同描述线性摩擦焊接过程中总的热输入,以热模拟试验建立的应变补偿型Arrhenius本构模型和塑性体/塑性体摩擦副模型为基础建立符合线性摩擦焊接物理本质的瞬时数理分析模型。通过数值分析和实验验证相结合的方法,验证了所建立的线性摩擦焊数值模型计算的可靠性和准确性,结果表明,所建模型具有良好的可靠性和较高的准确性,可以用于线性摩擦焊接热力耦合的数值分析。基于建立的线性摩擦焊接数理分析模型,数值分析了镍基高温合金GH4169线性摩擦焊接产热功率、热过程、摩擦界面及其附近的应力-应变场和塑性流动的特点。结果表明,受周期性方向交变摩擦力的影响,界面摩擦... 

【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：241 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 前言
    1.1 研究目的及意义
    1.2 线性摩擦焊接工艺研究开发现状
    1.3 线性摩擦焊接过程基础理论研究
        1.3.1 试验检测与物理模拟
        1.3.2 解析计算
        1.3.3 数值模拟
    1.4 主要研究内容
第2章 线性摩擦焊接工艺试验
    2.1 试验材料与设备
    2.2 线性摩擦焊接工艺试验
    2.3 组织表征与性能测试
    2.4 LFW试验结果分析与讨论
        2.4.1 热循环曲线与接头成形形貌
        2.4.2 焊缝形貌与组织特征
        2.4.3 接头力学性能
    2.5 本章小结
第3章 GH4169镍基高温合金本构方程数学建模
    3.1 热压缩物理模拟试验
    3.2 热压缩变形行为和组织特征
        3.2.1 流动应力演变特征
        3.2.2 变形组织
    3.3 高温变形力学本构方程
        3.3.1 Field-Backofen模型
        3.3.2 Johnson-Cook模型
        3.3.3 Arrhenius模型
        3.3.4 GH4169镍基高温合金本构方程的优选
    3.4 本章小结
第4章 线性摩擦焊接过程三维数值建模
    4.1 线性摩擦焊接工艺特点
    4.2 数学建模
        4.2.1 模型基本假设
        4.2.2 基本控制方程组
        4.2.3 双塑性体摩擦副模型
        4.2.4 热源模型
        4.2.5 初始条件和边界条件
        4.2.6 材料模型
        4.2.7 数值求解和算法
    4.3 低温本构关系的影响
    4.4 摩擦行为有限元分析
    4.5 实验验证
    4.6 本章小结
第5章 线性摩擦焊接过程热力耦合数值分析
    5.1 宏观参量模拟及摩擦过程初步分析
    5.2 线性摩擦焊产热
        5.2.1 界面摩擦产热
        5.2.2 塑性变形能
    5.3 温度场分演变
        5.3.1 时间和空间演变
        5.3.2 焊接工艺参数的影响
    5.4 应力场分布演变
    5.5 参数化数值试验
        5.5.1 试验设计
        5.5.2 方差分析
        5.5.3 响应曲面
    5.6 本章小结
第6章 线性摩擦焊接过程塑性流变数值分析
    6.1 热—弹—塑性变形
        6.1.1 热弹性变形分析
        6.1.2 塑性流变场分析
        6.1.3 变形量和飞边
    6.2 塑性流动行为分析
        6.2.1 塑性流动速度
        6.2.2 塑性流动轨迹
    6.3 本章小结
第7章 工程应用初步探索
    7.1 模型优势
        7.1.1 与刚/塑性体摩擦副LFW模型相比
        7.1.2 受夹具约束位置影响的LFW
        7.1.3 不同尺寸工件或异种材料LFW
    7.2 本章小结
第8章 结论与展望
    8.1 结论
    8.2 展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间已发表和撰写的论文
攻读博士学位期间参与的科研项目
附件
学位论文评阅及答辩情况表


【参考文献】：
期刊论文
[1]线性摩擦焊接技术及其在航空航天领域中的应用[J]. 刘建丽,王严,耿培皓,秦国梁,周军.  焊接. 2016(10)
[2]Computational analysis of linear friction welding process and micromechanical modeling of deformation behavior for medium carbon steel[J]. 杨夏炜,李文亚,马铁军.  Journal of Central South University. 2015(09)
[3]线性摩擦焊摩擦功率的检测与分析[J]. 马铁军,汤化伟,李文亚,张勇.  航空制造技术. 2013(10)
[4]异种钛合金线性摩擦焊接工艺参数对接头轴向缩短量的影响[J]. 钟德超,张田仓,李海东,傅莉.  热加工工艺. 2013(07)
[5]TC4/TC17线性摩擦焊接头组织及力学性能[J]. 季亚娟,刘燕冰,张田仓,张传臣.  焊接学报. 2012(10)
[6]GH4169高温合金高应变率本构关系试验研究[J]. 王涛,陈国定,巨江涛.  航空学报. 2013(04)
[7]线性摩擦焊接过程三维热力耦合有限元分析[J]. 杜随更,王庆,傅莉.  西北工业大学学报. 2002(02)
[8]摩擦焊接初始阶段的摩擦机制及摩擦系数[J]. 杜随更,段立宇,程功善.  机械科学与技术. 1997(04)

硕士论文
[1]镍基高温合金线性摩擦焊接过程数值分析[D]. 王严.山东大学 2017



本文编号：3149377