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《重庆大学》 2014年
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载流搅拌摩擦焊多物理场耦合数值模拟

付根  
【摘要】:本论文研究来源于国家自然科学基金面上项目:载流搅拌摩擦焊接热效应及其组织结构变化规律(51075413/E050803)。传统搅拌摩擦焊接在轻金属合金的焊接方面应用较广,但是其对于高熔点金属的焊接存在较大缺陷。同时传统搅拌摩擦焊接过程中的缺陷主要来源于过低的热输入量。而本文所研究的载流搅拌摩擦焊接技术正是针对传统搅拌摩擦焊接技术提出的,该技术可以弥补传统搅拌摩擦焊接的不足。本文以载流搅拌摩擦焊接为研究对象,利用Comsol Multiphysics软件通过多物理场建模技术对载流搅拌摩擦焊全过程建立三维有限元模型。 首先,本文将会建立一个多物理场耦合的载流搅拌摩擦焊数值模型,利用多物理场耦合有限元技术对载流搅拌摩擦焊接过程的各个物理场进行强耦合求解。本文中将会使用两组非线性求解器来对所建立的模型进行求解。这两组非线性求解器分别为Quasi准稳态求解器和瞬态参数扫描求解器。本文将利用所建立的数值模型计算出载流搅拌摩擦焊接的温度场,电流场以及速度场等。并且通过模拟结果对比不同类型载流搅拌摩擦焊接,以及载流搅拌摩擦焊接与传统搅拌摩擦焊接之间存在的不同特征。数值模拟结果表明载流搅拌摩擦焊接过程中电阻热主要产生在搅拌头与工件的接触面上。预热搅拌摩擦焊在工件上未被焊接区域所产生的热量较多而热传导载流搅拌摩擦焊在工件上已经被焊接过的区域中产生的热量较多。在合理控制电流参数的条件下可以消除传统搅拌摩擦焊接中温度场的不对称性。通过合理的控制焊接过程中的电场分布,可以有效的对温度场的分布进行控制。电场的引入使得材料的流动性更好,更易形成接缝。当电流值从50A增大到300A,焊接区材料的最大速度值均有所提高。随着电流值不断增大,速度场本身具有的不对称性也越来越明显。搅拌头最大Von Mises应力值可以达到950MPa,在搅拌针的底部,低应力区的分布呈现出一个矩形的分布。Von Mises应力在轴肩下表面分布几乎为对称分布,而体积应变则呈现出不对称性。当电流值从50A增大到300A时,在工件焊接区中的Von Mises应力峰值不断减小,从516MPa减小到了475MPa。 最后,为了验证本文中所使用模型的正确性。本文设计了相应的载流搅拌摩擦焊接和传统搅拌摩擦焊接过程中工件温度测量实验来对数值模拟结果进行验证。结果表明实验数据与模拟数据吻合良好,相对误差小于2.1%。同时,实验温度数据表明,载流搅拌摩擦焊接在焊接过程中测量点的温度值始终高于传统搅拌摩擦焊接。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TG453.9

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