載流攪拌摩擦焊多物理場耦合數(shù)值模擬.pdf

1、本論文研究來源于國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目:載流攪拌摩擦焊接熱效應(yīng)及其組織結(jié)構(gòu)變化規(guī)律(51075413/E050803)。傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接在輕金屬合金的焊接方面應(yīng)用較廣,但是其對(duì)于高熔點(diǎn)金屬的焊接存在較大缺陷。同時(shí)傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接過程中的缺陷主要來源于過低的熱輸入量。而本文所研究的載流攪拌摩擦焊接技術(shù)正是針對(duì)傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接技術(shù)提出的,該技術(shù)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接的不足。本文以載流攪拌摩擦焊接為研究對(duì)象,利用Comsol Multip

2、hysics軟件通過多物理場建模技術(shù)對(duì)載流攪拌摩擦焊全過程建立三維有限元模型。
　　首先,本文將會(huì)建立一個(gè)多物理場耦合的載流攪拌摩擦焊數(shù)值模型,利用多物理場耦合有限元技術(shù)對(duì)載流攪拌摩擦焊接過程的各個(gè)物理場進(jìn)行強(qiáng)耦合求解。本文中將會(huì)使用兩組非線性求解器來對(duì)所建立的模型進(jìn)行求解。這兩組非線性求解器分別為Quasi準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)求解器和瞬態(tài)參數(shù)掃描求解器。本文將利用所建立的數(shù)值模型計(jì)算出載流攪拌摩擦焊接的溫度場,電流場以及速度場等。并且通過模擬

3、結(jié)果對(duì)比不同類型載流攪拌摩擦焊接,以及載流攪拌摩擦焊接與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接之間存在的不同特征。數(shù)值模擬結(jié)果表明載流攪拌摩擦焊接過程中電阻熱主要產(chǎn)生在攪拌頭與工件的接觸面上。預(yù)熱攪拌摩擦焊在工件上未被焊接區(qū)域所產(chǎn)生的熱量較多而熱傳導(dǎo)載流攪拌摩擦焊在工件上已經(jīng)被焊接過的區(qū)域中產(chǎn)生的熱量較多。在合理控制電流參數(shù)的條件下可以消除傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接中溫度場的不對(duì)稱性。通過合理的控制焊接過程中的電場分布,可以有效的對(duì)溫度場的分布進(jìn)行控制。電場的引入使得

4、材料的流動(dòng)性更好,更易形成接縫。當(dāng)電流值從50A增大到300A,焊接區(qū)材料的最大速度值均有所提高。隨著電流值不斷增大,速度場本身具有的不對(duì)稱性也越來越明顯。攪拌頭最大Von Mises應(yīng)力值可以達(dá)到950MPa,在攪拌針的底部,低應(yīng)力區(qū)的分布呈現(xiàn)出一個(gè)矩形的分布。Von Mises應(yīng)力在軸肩下表面分布幾乎為對(duì)稱分布,而體積應(yīng)變則呈現(xiàn)出不對(duì)稱性。當(dāng)電流值從50A增大到300A時(shí),在工件焊接區(qū)中的Von Mises應(yīng)力峰值不斷減小,從516