基于COMSOL的搅拌摩擦焊热场影响因素数值计算

发布时间：2017-08-06 15:19

  本文关键词：基于COMSOL的搅拌摩擦焊热场影响因素数值计算

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【摘要】：随着现代工业的快速发展,焊接作为工业制造的一项基础技术,其水平的高低逐渐成为工业和科技发展程度的重要衡量标准。搅拌摩擦焊(FSW)的出现,为焊接技术领域带来了一次新的革命,极大地改善了有色金属的焊接状况,在各个工业领域都有着良好的应用前景,对推动工业发展、创造社会经济效益有着重要的作用。但搅拌摩擦焊技术出现的时间并不长,还处在研究和发展完善阶段,人们对其了解还存在一定的欠缺。焊接中的温度及其分布对接头性能有着最为直接的影响,通过多角度模拟分析温度场的分布状况及特征来研究FSW可以使我们对其有进一步的了解。本文以FSW为基础,使用COMSOL Multiphysics软件并采用有限元方法建立了三维模型,依次进行了将焊接参数、工件材料、搅拌头形状作为变量的有限元模拟分析,得出这种情况下焊缝的温度场及其等值面的分布特征,并对模型温度及其接头组织情况进行了理论分析,发现了一些变化规律。研究分析的主要结论如下:(1)在FSW中,无论试验参数如何改变,采用何种焊接材料以及采用何种形状的搅拌头,都存在焊前侧的温度场及其等值面的等温区域面积均较焊后侧大;焊接中的最高温度均分布在搅拌头与金属组织相接处的表面上且仅出现在较小的区域或者点域内;温度随着离开中心距离的增大而逐渐降低,距离焊接中心越远,温度下降速度越慢,温度梯度越小。(2)在FSW实验当中,对于焊接速度、搅拌头转速和法向压力三个参数,任意改变其中一个参数而将其它两个参数设为定值时,接头组织达到塑性状态所需要的时间与参数数值之间存在非线性正比关系;温度场分布面积与参数数值之间存在非线性反比关系。(3)焊接当中在金属材料达到塑性状态前,接头部分的温度随着焊接参数数值的增大而迅速升高;在接头部分达到最高温度后,温度在一个较小的变化范围内波动。(4)不同材料进行FSW时最优的焊接工艺参数各不相同,在转速、焊接速度、法向压力三个焊接参数当中转速和焊接速度对最高温度的影响较大,法向压力对最高温度的影响相对较小。(5)采用Trivex形搅拌头进行焊接的焊核部分所占面积最大,采用圆柱形搅拌头进行焊接时产生的焊核区面积最小。法向压力的改变对使用Trivex形搅拌头进行FSW的最高温度没有明显的影响,采用Trivex形搅拌头进行FSW时的焊接效果较为稳定。
【关键词】：搅拌摩擦焊 温度场 等值面 COMSOL
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG453.9
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 课题研究背景、目的和意义9-10
• 1.2 搅拌摩擦焊接技术研究现状10-13
• 1.2.1 国内研究现状10-12
• 1.2.2 国外研究现状12-13
• 1.3 课题研究的主要内容13-15
• 2 建立搅拌摩擦焊接有限元仿真模型15-25
• 2.1 搅拌摩擦焊接原理15-16
• 2.2 COMSOL Multiphysics简介16-19
• 2.3 建立搅拌摩擦焊模型19-21
• 2.3.1 三维物理模型19-20
• 2.3.2 材料物理模型20-21
• 2.4 热源分析21-22
• 2.5 控制方程22-23
• 2.6 边界条件的确定23
• 2.7 网格划分23-24
• 2.8 本章小结24-25
• 3 不同焊接参数对温度场的影响分析25-38
• 3.1 实验参数的设定25-26
• 3.1.1 材料参数的选择25-26
• 3.1.2 实验参数26
• 3.2 不同转速情况下温度场的分布26-29
• 3.3 不同法向压力下温度场的分布29-31
• 3.4 不同焊接速度下温度场的分布31-34
• 3.5 不同焊接参数条件下的最高温度线图34-36
• 3.6 本章小结36-38
• 4 FSW不同材质比较分析38-51
• 4.1 实验设定38-40
• 4.1.1 实验材料设置38-39
• 4.1.2 实验参数设置39-40
• 4.2 搅拌摩擦焊接接头组织40-41
• 4.3 焊接接头部分横截面分析41-48
• 4.4 不同焊接参数下最高温度对比图48-50
• 4.4.1 法向压力不变条件下最高温度对比图48
• 4.4.2 焊接速度不变条件下最高温度对比图48-49
• 4.4.3 旋转速度不变条件下最高温度对比图49-50
• 4.5 本章小结50-51
• 5 不同形状搅拌头对温度场的影响分析51-56
• 5.1 实验参数设定51-52
• 5.1.1 搅拌头形状选择51
• 5.1.2 实验材料及实验参数设定51-52
• 5.2 实验结果分析52-55
• 5.2.1 不同搅拌头情况下温度场对比图52-54
• 5.2.2 实验数据图表化分析54-55
• 5.3 本章小结55-56
• 结论56-58
• 参考文献58-61
• 攻读硕士学位期间发表论文及科研成果61-62
• 致谢62-63

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本文编号：630383