惯性摩擦焊焊接过程数值模拟的研究

发布时间：2017-07-14 01:15

  本文关键词：惯性摩擦焊焊接过程数值模拟的研究

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【摘要】：惯性摩擦焊是一种过程中包含热力复杂变化的固态焊接方法,焊接过程中飞轮储存的能量转化为热能使得焊接面附近温度迅速升高达到热塑性状态,并在压力和摩擦热的作用下完成焊接。摩擦焊以其节能、环保、高效的特点广泛应用于航天航空、汽车等多种领域中。现如今大部分的研究者均采用有限元软件对焊接过程进行模拟,不仅节约了时间、大量缩短了试验周期,避免了需要大量研究的盲目性,为更快的获得最优的工艺参数提供了有效的方法。文中采用弹塑性有限元理论建立了惯性摩擦焊接过程二维轴对称、热力耦合有限元计算模型,利用库伦模型和剪切模型分别模拟焊接过程中不同阶段的摩擦行为,并对焊接过程中所涉及的传热学理论、材料弹塑性问题及焊接过程中扭矩的计算做出详细阐述。运用有限元软件ABAQUS建立了GH4169惯性摩擦焊接二维轴对称热力耦合有限元模型,对焊接过程进行数值模拟。针对摩擦面附近区域单独进行网格细分,保证计算的准确度,并利用该模型模拟计算了焊接过程中的温度场、应力应变场的分布。为验证所建立的惯性摩擦焊接有限元模型的准确性,文中采用两种温度测量的方式——热电偶测温和红外测温法对焊接过程中焊件的温度进行测量,并利用ABAQUS软件计算相同位置处的温度值,将实验测得的温度与计算温度值进行比较,验证了模型的可靠性。利用验证的模型选择合适的工艺参数对惯性摩擦焊接过程进行模拟,分析得出的温度场、应力应变场和轴向缩短量的分布情况。用单一因素法和正交试验分析焊接过程中的三个主要工艺参数—转速、压力、转动惯量等对最高温度和轴向缩短量的影响规律,并得出,改变转速对最高温度和轴向缩短量影响最为明显,压力次之,转动惯量最弱,为进一步的优化焊接参数和焊接工艺提供给了基础。
【关键词】：惯性摩擦焊接 数值模拟 温度场 应力应变场 轴向缩短量
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG453.9
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 引言9
• 1.2 摩擦焊接技术概述9-11
• 1.2.1 惯性摩擦焊接过程及基本原理9-10
• 1.2.2 惯性摩擦焊的工艺特点10-11
• 1.3 摩擦焊接数值模拟研究现状11-15
• 1.4 论文研究意义与主要内容15-16
• 2 摩擦焊接数值模拟的理论基础16-28
• 2.1 有限元法概述16-17
• 2.2 热分析理论17-22
• 2.2.1 热力学第一定律17-18
• 2.2.2 传热学基本原理18-19
• 2.2.3 传热问题的定解条件19-20
• 2.2.4 热平衡方程20-21
• 2.2.5 热传导问题的有限元法21-22
• 2.3 弹塑性有限元理论22-24
• 2.3.1 材料屈服准则22-23
• 2.3.2 弹塑性问题的本构关系23-24
• 2.4 热力耦合分析24-25
• 2.5 摩擦焊接过程摩擦行为和摩擦扭矩及角速度的确定25-27
• 2.5.1 摩擦行为的描述25-26
• 2.5.2 摩擦模型的转变26
• 2.5.3 摩擦扭矩及角速度的确定26-27
• 2.6 本章小结27-28
• 3 测温系统的设计28-36
• 3.1 测温方案的选择28-29
• 3.1.1 测温方式简介28
• 3.1.2 测温方案的选择28-29
• 3.2 热电偶测温方法29-31
• 3.2.1 热电偶测温原理及特点29
• 3.2.2 热电偶型号种类的选择29-30
• 3.2.3 热电偶测温的冷端补偿30-31
• 3.3 惯性摩擦焊接过程温度的采集与数据处理31-33
• 3.3.1 焊接过程温度的采集31
• 3.3.2 数据处理31-32
• 3.3.3 热电偶测温实验32-33
• 3.4 红外测温方法33-35
• 3.4.1 红外测温方法的原理及特点33
• 3.4.2 红外测温实验33-35
• 3.5 本章小结35-36
• 4 惯性摩擦焊数值模型的建立及其可靠性验证36-45
• 4.1 ABAQUS软件简介36-37
• 4.2 惯性摩擦焊接数值模拟模型的建立37-42
• 4.2.1 几何模型的建立37
• 4.2.2 材料性能参数37-39
• 4.2.3 边界条件39-40
• 4.2.4 单元的选择与网格划分40-41
• 4.2.5 增量步长的选择41
• 4.2.6 接触设置41-42
• 4.3 模型的可靠性验证42-44
• 4.3.1 惯性摩擦焊接实验42
• 4.3.2 实验结果与模拟结果的对比42-44
• 4.4 本章小结44-45
• 5 惯性摩擦焊接数值模拟结果分析45-57
• 5.1 研究方案的选择45
• 5.2 温度场的结果分析45-47
• 5.2.1 温度场空间分布45-46
• 5.2.2 最高温度随时间变化规律46-47
• 5.3 焊接过程的应力分布47-49
• 5.3.1 轴向应力分布47-48
• 5.3.2 径向应力分布48-49
• 5.4 等效塑性应变49-50
• 5.5 轴向缩短量的变化情况50-51
• 5.6 各工艺参数对焊接过程参量场的影响51-54
• 5.6.1 转速对温度场及轴向缩短量的影响51-52
• 5.6.2 压力对温度场及轴向缩短量的影响52-53
• 5.6.3 转动惯量对温度场及轴向缩短量的影响53-54
• 5.7 利用正交实验研究工艺参数对轴向缩短量的影响54-56
• 5.8 本章小结56-57
• 结论57-58
• 参考文献58-62
• 攻读学位期间发表的学术论文62-63
• 致谢63-64

【参考文献】

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本文编号：539110