连续驱动摩擦焊接头热力耦合过程三维数值模拟研究

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1、学术沦文RESEARCH连续驱动摩擦焊接头热力耦合过程三维数值模拟研究3DNumericalSimulationofCoupledThermo-MechanicalProcessofContinuousDriveFrictionWeldedJoint西北工业大学摩擦焊接陕西省重点实验室李文亚余敏高大路李京龙【摘要】采用ABAQUS软件，以连续驱动摩擦焊为研究对象，以碳钢为代表性材料，对摩擦焊接头的热力耦合过程进行了三维模拟。所采用材料模型为同时考虑应变、应变率、温度影响的Johnson．Cook弹(粘)塑性材料模型，并同时考虑材料热物性与摩擦系数随温度变化。结果表明，显式计算方法可行，

2、计算结果与试验结果吻合较好。关键词：连续驱动摩擦焊热力耦合数值模拟显式有限元方法IABSTRACTlThecoupledthermo—mechanicalprocessofcontinuousdrivefrictionweldedcarbonsteeljointissimulatedofthree-dimensionwiththeABAQUSsoftware．Thestrain，strainrateandtemperature-dependentJohnson．Cookmateriallawisadoptedinthe3Dfiniteelement-basedmodel．Thechan

3、gesofthethermalproper-tiesandfrictioncoefficientwithtemperatureofthematerialarealsoconsidered．Theresultsshowthatthenumericalsimulationdatacorrelatewellwiththeexperimentaldataobtainedinthisresearchaswellastheexperimentaldatafromtheliterature．Keywords：ContinuousdrivefrictionweldingCoupledthermo—me

4、chanicalNumericalsimulationExplicitfiniteelementmethod摩擦焊接作为一种优质、高效、节能和环保的固相连接技术，在航空航天等领域有着巨大的应用潜力11-31。比如在发达国家，惯性摩擦焊已成功用于航空发动机粉末冶金涡轮盘与轴的连接fll，线性摩擦焊已被应用到高推重比航空发动机整体叶盘的关键制造【2】，搅拌摩擦焊已用于飞机机舱等大型铝合金构件的制造口J。尽管国内外已经进行了大量的摩擦焊工艺研究，但仍有一些基础科学问题有待阐明，如热源机制、接头塑性金属流动行为等，这在很大程度上制约了摩擦焊接质量的精确控制。由于摩擦焊过程中强烈的热力耦合及很短

5、的焊接86航空制造技术·2010年第2期时间(数秒以内)，以及材料的热物理性能随温度的变化，力学性能随变形温度、应变速率等变形条件的变化等，使形成摩擦焊接头的物理冶金过程变得复杂，理论研究变得困难。数值模拟技术的发展，为研究摩擦焊提供了新思路，目前数值研究主要涉及接头温度场和应力应变场的数值计算14-121。对于摩擦焊温度场的数值计算已从一维、非稳态、恒物性发展为二维甚至j维、非稳态、变物性，从单一温度场计算到温度场与应力应变场耦合求解睁12l。对于数值计算方法，绝大部分研究者采用商业有限元软件，如ANSySl4Aol；而早期的研究者主要借助自行开发的有限元或有限差分程序【5。9】。对

6、于热一力耦合求解，大部分研究者采用隐式分析方法，尽管可以分析分步的热一力耦合，但隐式求解方法不适合高应变率、大变形的情况。针对以上问题，有研究者将高温变形区看作流体来求解【9l，以解决高速大变形问题，但将变形区看作纯流体也是对实际过程的较大简化。另一方面，大连理工大学张立文等111’121采用MSC．MARC软件(高级非线性有限元软件)对连续驱动和惯性摩擦焊接过程进行了热力直接耦合求解，计算结果与试验结果较吻合，但其采用刚塑性模型是在忽略弹性变形基础kx寸模型的较大简化，且热源是采用的从摩擦界面输入的当量热流。目前绝大部分研究者都是采用当量热流密度进行求解的，这就涉及对摩擦焊热源的理解

7、及主观简化问题。除最新研究【l别考虑到搅拌摩擦焊过程中塑性变形产热外，目前均将摩擦热视为焊接热源，这样虽然部分计算结果与试验结果相当，但与实际焊接过程的差别较大。本文采用ABAQUS有限元软件，以连续驱动摩擦焊为研究对象，以碳钢为代表性材料，对摩擦焊接头的热力耦合过程进行了三维模拟。计算所采用材料模型为John,qon—Cook(JC)弹(粘)塑性材料模型，并同时考虑材料热物性与摩擦系数随温度的变化，获得了碳钢连续驱动摩擦焊接接头在整个焊接过程