搅拌摩擦焊残余应力和失稳变形数值模拟预测方法研究

摘要

搅拌摩擦焊是新型固态连接技术，在铝合金等有色金属的焊接中占有其他焊接方法不可比拟的优势。搅拌摩擦焊接头的残余应力对接头的力学性能尤其是疲劳性能有严重影响，这样就有必要发展计算机数值模拟技术建立FSW的理想模型，进一步准确的分析残余应力的分布并明确各种影响因素对残余应力分布和水平的影响规律，从而达到对接头残余应力进行准确预测以达到控制优化的目的。 本文采用顺序耦合数值模拟方法利用ANSYS有限元软件来预测FSW接头的残余应力。采用的材料为A1-6061-T6，模型尺寸分别为200×100×4.5mm和200×100×2mm。 1.首先要建立三维热模型进行温度场分析，以得到焊接过程的温度历程。在温度场的模拟过程中，只考虑了搅拌头肩部和搅拌针与工件之间的摩擦生热，建立了移动热源。为了保证计算的准确性同时又减少计算量，实体模型在划分网格时采用了非均匀网格方式。在计算过程中采用了随温度变化的热物理性能，选择了合理的焊接工艺参数和边界条件。利用ANSYS软件进行计算得到FSW接头的温度范围均在材料熔点的80～90％之间，符合实际情况并可以作为结构分析的热载荷。 2.将热模型转化为结构模型，把得到的温度场结果作为热载荷施加到结构模型上进行残余应力分析。在分析过程中采用了材料随温度变化的热力学性能，施加了合理的边界条件，考虑了搅拌头对工件产生的随热源移动的约束条件，使模拟过程更符合实际情况。整个过程采用ANSYS有限元软件来完成。结果表明，在焊缝及其热影响区，纵向残余应力为主要残余应力，低于材料室温的屈服强度，最大值在焊缝中心，而横向应力相对较低，Z向应力水平很低，在零点附近上下波动，可以忽略。 3.根据残余应力的模拟结果，采用等效热载荷的方法即将焊接残余应力等效为一种外载荷施加在薄板结构上进行弹性屈曲和大变形分析，来确定在给定外载即残余应力作用下的FSW对接薄板失稳变形。计算结果表明，FSW焊接过程中形成的残余应力可以导致较大尺寸的薄板失稳，说明了FSW接头残余应力的存在影响焊接结构的稳定性。 综上所述，本文所采用的数值模拟方法对FSW接头残余应力以及FSW薄板变形的预测是可行的，但还需要进一步完善。

目录

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声明

第一章绪论

1.1选题的背景及意义

1.2搅拌摩擦焊技术原理及特点

1.2.1搅拌摩擦焊技术原理

1.2.2搅拌摩擦焊技术特点

1.3搅拌摩擦焊接头残余应力试验测量方法的研究现状

1.4搅拌摩擦焊接头残余应力的数值模拟方法的研究进展

1.5 FSW接头残余应力控制技术的发展

1.6本文研究的主要内容

第二章搅拌摩擦焊对接接头残余应力的数值模拟预测方案

2.1前言

2.2数值预测方案

2.2.1有限元方法基本原理

2.2.2热力耦合问题

2.3材料及性能

2.4边界条件

2.5本章小结

第三章搅拌摩擦焊接头温度场模拟分析

3.1前言

3.2热源模型的建立

3.3单元与网格划分

3.4时间及边界条件

3.5加载与求解

3.6结果分析与讨论

3.7本章小结

第四章搅拌摩擦焊接头残余应力的数值模拟

4.1结构模型

4.2边界约束条件

4.3模拟结果与分析

4.3.1 2mm厚焊件FSW接头残余应力的分布

4.3.2 4.5mm厚焊件FSW接头残余应力的分布

4.4本章小结

第五章FSW对接薄板在残余应力条件下失稳变形的数值预测

5.1前言

5.2失稳变形数值预测方法

5.2.1失稳变形分析原理

5.2.2数值预测方案

5.2.3 FSW接头残余应力的确定

5.3焊缝区域等效热载荷的确定

5.4失稳变形分析

5.5结果与分析

5.6本章小结

第六章全文总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢