基于ABAQUS的搅拌摩擦焊仿真模拟分析

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作者：

陈彦君

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摘要：

搅拌摩擦焊是于1991年由英国焊接研究所发明的一种新型的固态连接方法.近些年来国内外对搅拌摩擦焊焊接过程做了大量研究,对于搅拌摩擦焊的有限元模拟,通常采用加载简化热源的准静态法和在只对稳定焊接阶段模拟的动力学法.而对于整个焊接过程模拟的动力学法目前还鲜有研究报道.因此本文基于热弹塑性法,JC本构方程和罚接触算法,提出一种新的动力学热-力耦合有限元模型对完整焊接过程进行有限元模拟分析.将分析结果与传统加载简化热源的分析结果以及残余应力的实验结果进行对比验证.然后采用传统方法分析焊接参数(焊接速度,转动速度,下压力和轴肩半径)对焊接过程中的温度场和焊后残余应力场的影响规律.最后建立焊接参数的优化模型,采用正交实验优化方法对其进行优化设计.研究结果表明:(1)本文提出新的动力学热-力耦合有限元分析模型的结果较传统方法更贴近实验结果,证明本文建立有限元模型正确合理;(2)下压预热阶段温度场高温区集中在焊缝区域,温度峰值达到400℃左右,位于靠近AS区焊趾一侧,加工阶段搅拌头前侧温度梯度大分布范围小,而后侧温度梯度小分布范围大;(3)焊后纵向残余应力场在路径EF上的分布曲线呈明显双峰趋势,应力峰值达到129MPa,位于靠近AS区一侧,且在焊缝区域呈现拉应力状态,而横向残余应力峰值明显低于纵向残余应力峰值;(4)增大搅拌头半径,搅拌头转速和搅拌头下压力使得加工过程温度场峰值增大,焊后纵向残余应力峰值增大,而增大焊接速度会让温度场峰值减小,但焊后纵向残余应力峰值增大;(5)通过正交优化实验,得出焊接参数对纵向残余应力最大值的影响显著程度排序依次为轴肩半径,旋转速度,焊接速度,下压力,并得出最优焊接参数组合为焊接速度0.005m/s,旋转速度2400r/min,下压力6000N和轴肩半径0.004m.本文的研究成果为更加全面深入研究铝合金搅拌摩擦焊的焊接过程打下了一定的理论基础,同时为建立更贴近实际工况的有限元模型提供了一定的新思路.

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