基于计算流体力学的搅拌摩擦焊数值模拟

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1、殏檪檪檪檪檪檪檪殏檪文章编号：2095-1248（2016）06-0049-05檪殏机械与材料工程檪檪檪檪檪檪檪殏基于计算流体力学的搅拌摩擦焊数值模拟高恩志，尹治利，刘冰洋（沈阳航空航天大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110136）摘要：搅拌摩擦焊接ＦＳＷ（ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＷｅｌｄｉｎｇ）过程是一个受多参数影响的，温度变化、金属流动和组织转变等多因素互相作用的复杂过程。温度场、流场是ＦＳＷ过程的主要组成部分，存在高度非线性的复杂耦合作用。基于计算流体力学ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤ

2、ｙｎａｍｉｃｓ）理论，模拟得到了ＦＳＷ过程中温度场分布云图、不同工艺参数下的三维速度矢量图和材料流线分布图。结果表明，随着搅拌针旋转速度的增加，搅拌针附近区域材料流动更剧烈，焊接速度的提高对搅拌针及其附近区域材料的流动影响不大。ＦＳＷ过程中，材料在搅拌针前方分流，在搅拌针后方焊合。分流与焊合位置均位于前进侧。随着距焊缝表面距离的提高，焊合难度增大，从而使ＦＳＷ过程中未焊合缺陷产生的倾向性增大。关键词：搅拌摩擦焊；计算流体力学；数值模拟；金属流动中图分类号：ＴＧ402文献标志码：Ａdoi：10．3969／ｊ．

3、ｉｓｓｎ．2095-1248．2016．06．008NumericalsimulationoffrictionstirweldingprocessbasedoncomputationalfluiddynamicsＧＡＯＥｎ-ｚｈｉ，ＹＩＮＺｈｉ-ｌｉ，ＬＩＵＢｉｎｇ-ｙａｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ，110136）Abstract：ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＷｅｌｄｉｎｇ（ＦＳＷ）ｉ

4、ｓａｃｏｍｐｌｅｘｐｒｏｃｅｓｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｍａｎｙｆａｃｔｏｒｓ，ｓｕｃｈａｓｔｅｍｐｅｒａ-ｔｕｒｅ，ｍｅｔａｌｆｌｏｗａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ．ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｆｌｏｗａｒｅｔｈｅｍａｉｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅＦＳＷｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｈｉｃｈａｒｅｈｉｇｈｌｙｎｏｎｌｉｎｅａｒａｎｄｃｏｍｐｌｅｘ．Ｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ，ａｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂ-ｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍｐ

5、ｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）．Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍ，ｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｖｅｃｔｏｒｄｉａｇｒａｍａｎｄｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｏｂ-ｔａｉｎｅｄｉｎｔｈｅＦＳＷｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｆｌｏｗｎｅａｒｔｈｅｐｉｎｉｓｍｏｒｅｖｉｏｌｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｉｎ-

6、ｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｒｏｔａｔｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｐｉｎａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｗｅｌｄｉｎｇｓｐｅｅｄｏｎｍａｔｅｒｉａｌｆｌｏｗｉｓｎｏｔｏｂｖｉｏｕｓ．Ｉｔｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｔｈａｔｍａｔｅｒｉａｌｓｅｐａｒａｔｅｓｉｎｔｈｅｆｒｏｎｔｏｆｔｈｅｐｉｎａｎｄｗｅｌｄｓｂｅｈｉｎｄｔｈｅｐｉｎ．Ｂｏｔｈｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｎｇａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｏｃｃｕｒｏｎｔｈｅａｄｖａｎｃｉｎｇｓｉｄｅ．Ｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｆｗｅｌｄｉｎｇｉ

7、ｎＦＳＷｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｄｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｄｔｈｅｕｎｌｏｃｋｅｄｖｏｉｄｉｓｍｏｒｅｌｉｋｅｌｙｔｏｂｅｆｏｒｍｅｄ．Keywords：ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｍｅｔａｌｆｌｏｗ收稿日期：2016-10-28基金项目：国家自然科学基金（项目编号：51405310）；辽宁省教育厅科学研究一般项目（项目编号：Ｌ20140

8、55）作者简介：高恩志（1979-），男，辽宁清原人，讲师，博士，主要研究方向：材料加工，Ｅ-ｍａｉｌ：ｅｎｚｈｉｄａｎ@ｈｏｔｍａｉｌ.ｃｏｍ。50沈阳航空航天大学学报第33卷搅拌摩擦焊接ＦＳＷ（ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＷｅｌｄｉｎｇ）是英国焊接研究所发明的一种新型固相连接技术，1模型描述在航空航天、船舶和海洋工程、轨道交通等领域有［1］着广泛的应用。在ＦＳＷ过程中，工件对接面1.1控制方程处塑性金属流动的产生