搅拌摩擦焊接数值模拟的网格敏感性分析

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1、第棽椆卷第棻期暋计算力学学报暋斨旓旍棶棽椆棳斘旓棶棻棽棸棻棽年棽月斆旇旈旑斿旙斿斒旓旛旘旑斸旍旓旀斆旓旐旔旛旚斸旚旈旓旑斸旍斖斿斻旇斸旑旈斻旙斊斿斺旘旛斸旘旟棽棸棻棽文章编号椇棻棸棸椃灢棿椃棸椄棬棽棸棻棽棭棸棻灢棸棻棿棸灢棸椂搅拌摩擦焊接数值模拟的网格敏感性分析刘亚丽灣棳暋张暋昭棳暋陈金涛棳暋张洪武棬大连理工大学运载工程与力学学部工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室棳大连棻棻椂棸棽棿棭摘暋要椇利用完全热力耦合模型棳通过对具有不同网格尺寸的焊接构件有限元模型的计算棳分析了网格敏感性对模拟结果的影响棳同时简要分析了焊接过程中温度分布和残余应

2、力大小及分布形式暎数值结果表明棳网格密度影响计算误差棳同时决定着计算效率和计算成本暎随着网格密度的增加棳计算结果的精度得到提高棳当网格加密到一定程度棳计算结果的精度并没有随着网格密度的增加成比例的增加暎焊接过程中温度近似呈稳态分布棳焊接构件的纵向残余应力分布呈现典型双峰特征棳这些现象都与已有试验所得结论吻合暎关键词椇搅拌摩擦焊接椈完全热力耦合模型椈网格敏感性椈残余应力椈温度分布中图分类号椇斣斍棿棸棿椈斚棽棿棽棶棽棻暋暋暋文献标志码椇斄椲椂棳椃棳椆灢棻棻椵性及其变化规律暎随着数值分析方法的逐棻暋引暋言步完善和广泛应用棳求解过程的时效性和运算成

3、本为了解决铝合金等低熔点轻质金属采用传统及计算结果的精度日益成为关注的焦点椲棻椂椵暎划分焊接工艺进行焊接时所产生的夹渣和气孔等焊接网格作为建立搅拌摩擦焊接模型的一个重要环节棳缺陷棳英国焊接研究所棬斣斪斏棭于棻椆椆棻年发明了一网格划分的密度直接影响计算精度和计算规模暎椲棻椵种新型的焊接工艺暘暘暘搅拌摩擦焊棬斊斢斪棭暎与这样棳就存在了一个网格敏感性问题棳这对控制计传统的焊接方法相比棳斊斢斪具有优质棳低能耗棳焊算成本很有意义暎因此棳本文利用完全热力耦合模接变形小棳焊接过程安全性好暍低噪声暍无污染暍没型棳通过对焊接构件划分不同单元尺寸的网格棳分有烟

4、尘暍飞溅和弧光等特点棳并且可用于异种金属析了网格敏感性对焊接构件温度分布暍接头残余应的焊接棳特别适用于低熔点的合金板材的焊接棳如力大小及分布形式等计算结果的影响暎椲棽椵铝合金和镁合金等暎由于斊斢斪在制造成本和焊接质量等方面具有许多优越性棳该项先进的焊接棽暋有限元模型技术已经是一种公认的最具潜力和应用前景的先棽棶棻暋几何模型及边界条件进连接方法棳在航空暍航天暍高速列车暍轮船和汽车由于在搅拌摩擦焊接过程中搅拌头的变形很椲棾棳棿椵等工业制造领域得到了越来越广泛的应用暎小棳因此在数值模拟过程中假定搅拌头为刚体暎搅拌摩擦焊接技术问世以来棳随着焊接优越

5、性椲棻棽椵斠旛旙旙斿旍旍等认为在斊斢斪过程中棳搅拌针产生的不断的被人们认识并得到肯定棳这项技术得到世界热量仅占搅拌头与焊接构件之间摩擦产生的总热范围内的广泛关注和深入研究暎鉴于搅拌摩擦焊量的棽棩棳因而本文的搅拌头模型忽略了搅拌针棳接过程的复杂性和不可视性棳数值模拟分析成为研轴肩直径为棻椄旐旐棳倒角半径为棻旐旐暎焊接构件究斊斢斪焊接机理暍接头力学性能棳材料流动行为采用棽棸棸旐旐暳椂棸旐旐暳棾旐旐的铝合金薄板棳材椲椀灢椄椵以及温度分布形式等内容的重要手段棳其中以料为斄斄椂棸椂棻灢斣椂合金棳密度为棽椃棸棸斔旂棷旐棾棳热传有限单元法为代表的数值模拟

6、可以更加形象的描棽暏曟棳比热为椄椄棸斒棷斔旂暏曟棳导系数为棻棽棸斪棷旐述搅拌摩擦焊接过程中焊缝的成形过程和金属材材料弹性模量暍泊松比以及屈服应力与温度相料的流动行为棳更为直观的反映焊缝区域的力学特椲棻棾椵关暎焊接构件的有限元模型示意图如图棻所示棳收稿日期椇棽棸棻棸灢棸椄灢棽棸椈修改稿收到日期椇棽棸棻棻灢棸棽灢棽椄灡单元类型为六面体椄节点单元暎单元采用减缩积基金项目椇国家自然科学基金棬棻棸椄棸棽棸棻椃棭椈国家椆椃棾计划棬棽棸棻棸斆斅椄棾棽椃棸棿棭资助项目棶分以及沙漏控制以防止沙漏现象的产生暎为防止作者简介椇刘亚丽灣棬棻椆椄棿灢棭棳女棳硕士棳工

7、程师棬斉灢旐斸旈旍椇旍旈旛旟斸旍旈椑斾旍旛旚棶斿斾旛棶斻旑棭棶搅拌头的高速旋转而造成接触摩擦过程中网格的暋第棻期刘亚丽棳等椇搅拌摩擦焊接数值模拟的网格敏感性分析棻棿棻假设在增量步中节点加速度保持不变棳则在此增量步中节点的速度为棬棭殼棲殼棲殼棬棿棭棲殼棷棽椊棴殼棷棽棲棽通过速度对时间的积分棳可得到在增量步结束时的节点位移为棬椀棭棲殼椊棲殼棲殼棲殼棷棽图棻暋有限元模型斊旈旂棶棻暋斊旈旑旈旚斿斿旍斿旐斿旑旚旐旓斾斿旍棽棶棽棶棽暋温度场模型缠绕和畸变棳采用了自适应网格划分方法暎为节约瞬态热传导的一般形式为计算成本棳在求解过程中引入了质量放缩系数棳大

8、棲椊棬椂棭小为棻棸椃棳经文献椲棻棻椵验证棳该系数的选取是合理式中为热容矩阵棳为热传导矩阵棳为温度载荷棳是节点温度矩阵棳为节点温度矩阵对时间的暎的导数棳椊斾棷斾椈棳和由下列各式给出