7075铝合金搅拌摩擦焊温度场及残余应力场的数值模拟

发布时间：2017-03-21 07:12

  本文关键词：7075铝合金搅拌摩擦焊温度场及残余应力场的数值模拟，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：搅拌摩擦焊(FSW)是一种新型固相连接技术,其焊接接头具有强度高、焊接变形小等优点,特别适合铝合金等低熔点金属的焊接。然而FSW过程是一个温度变化、组织结构转变、应力应变和金属流动等方面相互耦合、共同作用的复杂过程,只有应用数值模拟技术才能全面有效分析其连接机理及其影响因素。本文根据搅拌摩擦焊特点及库伦摩擦做功理论,以厚度为6 mm的7075铝合金(供货状态:T6)板材为研究对象,基于ANSYS有限元分析平台,建立了搅拌摩擦焊双热源三维有限元模型,对搅拌摩擦焊温度场和残余应力场进行数值模拟,并通过残余应力测试加以验证。研究结果表明:焊接过程峰值温度在500℃左右,温度最高点位于搅拌头后部;模拟得到的接头残余应力以纵向应力为主,最大值约为150 MPa,且纵向应力在垂直焊缝方向上呈“M”形分布,横向应力相对很小;试验得到的纵向残余应力在焊缝两侧呈不对称分布,且前进侧的残余应力值高于返回侧,试验测试结果与有限元计算结果基本吻合。另外,利用建立的数值模型,分别对焊接参数、搅拌头参数以及平板尺寸对搅拌摩擦焊温度场和残余应力场的影响规律进行了研究。研究结果表明:搅拌头转速一定时,温度随着焊接速度的增大而减小,纵向残余应力峰值则随着焊接速度的增大而增大;焊接速度一定时,温度随着转速的增大而增大;转速影响残余应力的分布形式,转速越大,纵向残余应力分布越均匀;搅拌针长度一定时,随着轴肩半径的增大,峰值温度升高,峰值残余应力增大,且高水平残余应力值区间变宽;轴肩半径一定时,随着搅拌针长度的增大,峰值温度升高,纵向残余应力值增大,焊件底部残余应力差值明显大于焊件上表面的应力差值;随着板长的增加,焊件上表面最高残余应力先变大,后逐渐趋于稳定值。随着板宽的增加,焊件上表面各点纵向残余应力均逐渐增大,最高纵向残余应力值也相应增加;板宽对残余应力的影响要大于板长对残余应力的影响。课题研究对建立和完善搅拌摩擦焊的基础理论,指导焊接工艺参数的制定有着重要的意义。
【关键词】：7075铝合金 搅拌摩擦焊 温度场 残余应力场 数值模拟
【学位授予单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG453.9
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 引言10-11
• 1.2 搅拌摩擦焊接技术概述11-14
• 1.2.1 搅拌摩擦焊原理11-12
• 1.2.2 搅拌摩擦焊的特点12-13
• 1.2.3 搅拌摩擦焊的应用13-14
• 1.3 搅拌摩擦焊研究现状14-20
• 1.3.1 实验研究现状14-18
• 1.3.2 搅拌摩擦焊数值模拟研究现状18-20
• 1.4 研究内容及意义20-22
• 1.4.1 主要研究内容20-21
• 1.4.2 研究意义21-22
• 第二章 搅拌摩擦焊接过程数值模拟理论基础22-32
• 2.1 焊接数值模拟方法及有限元软件简介22-24
• 2.1.1 焊接数值模拟方法概述22-23
• 2.1.2 有限元软件简介23-24
• 2.2 有限元法求解传热问题24-25
• 2.2.1 三维瞬态传热问题基本方程24
• 2.2.2 三种基本传热方式24-25
• 2.3 有限元法求解热应力问题25-30
• 2.3.1 热弹塑性问题的特点和基本假设26
• 2.3.2 热弹塑性有限元基本方程26-30
• 2.4 热弹塑性问题的求解30-31
• 2.4.1 求解过程30
• 2.4.2 计算精度和稳定性30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 搅拌摩擦焊接温度场和残余应力场的数值模拟32-44
• 3.1 搅拌摩擦焊接工艺参数32
• 3.2 搅拌摩擦焊热源模型的建立32-36
• 3.2.1 轴肩产热数值模型33-34
• 3.2.2 搅拌针产热数值模型34-36
• 3.3 数值模拟过程36-43
• 3.3.1 温度场模拟36-40
• 3.3.2 残余应力场模拟40-42
• 3.3.3 模拟流程42-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第四章 搅拌摩擦焊温度场与残余应力场模拟结果及分析44-63
• 4.1 搅拌摩擦焊温度场模拟结果及分析44-49
• 4.1.1 随时间变化的温度分布44-47
• 4.1.2 特征点温度循环曲线47-49
• 4.2 温度场模拟结果验证49-50
• 4.3 搅拌摩擦焊残余应力场模拟结果50-56
• 4.3.1 焊接变形50-51
• 4.3.2 焊接上表面残余应力分布51-56
• 4.4 残余应力场模拟结果验证56-62
• 4.4.1 搅拌摩擦焊残余应力测量56-60
• 4.4.2 模拟结果与实验结果对比60-62
• 4.5 本章小结62-63
• 第五章 不同参数对温度场及残余应力场的影响规律63-80
• 5.1 焊接参数对温度场和残余应力场的影响63-68
• 5.1.1 搅拌头转速的影响63-66
• 5.1.2 焊接速度的影响66-68
• 5.2 搅拌头参数对温度场和残余应力场的影响68-74
• 5.2.1 轴肩半径的影响69-71
• 5.2.2 搅拌针长度的影响71-74
• 5.3 板材尺寸对残余应力场的影响74-79
• 5.3.1 板长对残余应力场的影响74-76
• 5.3.2 板宽对残余应力场的影响76-79
• 5.4 本章小结79-80
• 第六章 结论80-82
• 参考文献82-86
• 致谢86-87
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文87

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