發(fā)布時間：2017-04-02 13:01

  本文關(guān)鍵詞：攪拌針截面形狀對攪拌摩擦焊接熱過程和塑性材料流動的影響，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：攪拌頭是攪拌摩擦焊接(FSW)工藝和設(shè)備的重要組成部分,也是決定焊縫質(zhì)量的重要因素。大量的實驗研究表明,攪拌頭的形狀會對焊縫的宏觀形貌、微觀組織以及焊接接頭的力學(xué)性能等產(chǎn)生很大的影響。相對于傳統(tǒng)的圓柱／圓臺形攪拌針,復(fù)雜截面形狀的攪拌針能顯著提高焊接接頭的性能并能改善攪拌頭的受力狀態(tài)。研究攪拌針形狀對攪拌摩擦焊接熱過程和塑性材料流動的影響,對于豐富FSW工藝理論和實現(xiàn)攪拌頭的優(yōu)化設(shè)計,具有重要的理論意義和工程實用價值。針對常規(guī)的CT攪拌針(圓臺形攪拌針),建立了FSW焊接過程的數(shù)學(xué)模型,分析FSW焊接過程中產(chǎn)熱、溫度分布和材料塑性流動的基本規(guī)律。考察了界面狀態(tài)參量(滑移系數(shù)和摩擦系數(shù))對模擬結(jié)果的影響。根據(jù)攪拌頭-工件界面上的受力特點,推導(dǎo)出了滑移系數(shù)和摩擦系數(shù)的表達式,該表達式中的攪拌頭扭矩和軸向壓力通過實驗測得；軸肩／攪拌針底面與攪拌針側(cè)面上的剪切應(yīng)力比值,通過某些點的溫度測量值與計算值的逼近而獲得。基于這種測試-計算法,獲得了不同工藝參數(shù)下的滑移系數(shù)和摩擦系數(shù),避免了其取值的隨意性,為提高數(shù)值模擬的精度奠定了基礎(chǔ)。綜合考慮了復(fù)雜截面形狀攪拌針ST(有4個平面的圓臺形攪拌針)和TT(有3個平面的圓臺形攪拌針)的特點,建立了三維“準穩(wěn)態(tài)動參考系”+“瞬態(tài)滑移網(wǎng)格”模型,該模型更接近實際的攪拌摩擦焊接過程,且能兼顧計算時間和計算的準確性。重點討論和分析了ST和TT在攪拌針側(cè)面平面區(qū)域的產(chǎn)熱、材料流動速度及受力狀態(tài),并采用測試-計算法研究了攪拌針形狀對滑移系數(shù)和摩擦系數(shù)的影響規(guī)律�；诮⒌尼槍�(fù)雜截面形狀攪拌針的FSW焊接過程數(shù)學(xué)模型,計算了CT、ST和TT三種攪拌頭情況下焊接過程中的產(chǎn)熱、溫度分布和塑性流動行為,定量分析了不同時刻ST和TT攪拌針周圍材料塑性流動的特點。研究發(fā)現(xiàn),攪拌針形狀對FSW焊接過程的總產(chǎn)熱量和軸肩處的產(chǎn)熱分布規(guī)律的影響很小,而對攪拌針側(cè)面產(chǎn)熱分布規(guī)律影響較大；攪拌針形狀對最高溫度的影響小于30 K,ST和TT攪拌針旋轉(zhuǎn)過程中,攪拌針周圍溫度的波動振幅小于10 K；ST和TT攪拌針剪切層內(nèi)的最大材料流動速度是CT攪拌針的2-3倍,ST和TT攪拌針對被焊材料的“攪拌作用”明顯強于CT攪拌針。開展了攪拌摩擦焊接工藝實驗,測試了焊接熱循環(huán)、材料流動和焊縫橫斷面。數(shù)值模擬結(jié)果和實驗結(jié)果吻合情況良好。
【關(guān)鍵詞】：攪拌摩擦焊接 攪拌針形狀 滑移系數(shù) 摩擦系數(shù) 熱過程 塑性流動 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG453.9
【目錄】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-15
• 主要符號表15-17
• 第1章 前言17-39
• 1.1 選題意義17-18
• 1.2 攪拌摩擦焊接工藝18-19
• 1.3 攪拌頭19-25
• 1.3.1 攪拌頭的材料20
• 1.3.2 攪拌頭的形狀和尺寸20-24
• 1.3.3 攪拌頭的形狀尺寸對焊接過程及焊縫性能的影響24-25
• 1.4 攪拌摩擦焊接過程的數(shù)值模擬25-35
• 1.4.1 簡化攪拌頭形狀的FSW數(shù)學(xué)模型25-32
• 1.4.2 考慮復(fù)雜攪拌頭形狀的FSW數(shù)學(xué)模型32-35
• 1.5 存在的問題35-36
• 1.6 本文的主要研究內(nèi)容36-39
• 第2章 攪拌摩擦焊接過程的數(shù)學(xué)模型39-55
• 2.1 簡化和假設(shè)條件39
• 2.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分39-40
• 2.3 控制方程40-41
• 2.4 產(chǎn)熱模型41-42
• 2.5 邊界條件42-43
• 2.5.1 速度邊界條件42-43
• 2.5.2 熱邊界條件43
• 2.6 材料物性參數(shù)43-44
• 2.7 數(shù)值算法44-49
• 2.7.1 控制方程的離散45-47
• 2.7.2 求解方法47-48
• 2.7.3 自定義函數(shù)的加載48-49
• 2.8 界面狀態(tài)參量取值對計算結(jié)果的影響49-54
• 2.8.1 產(chǎn)熱49-51
• 2.8.2 溫度分布51-53
• 2.8.3 材料塑性流動53-54
• 2.9 本章模型的不足之處54
• 2.10 本章小結(jié)54-55
• 第3章 滑移系數(shù)和摩擦系數(shù)的確定方法55-73
• 3.1 攪拌頭-工件的界面接觸狀態(tài)55-58
• 3.1.1 滑移系數(shù)δ55-57
• 3.1.2 摩擦系數(shù)μf57-58
• 3.1.3 測試-計算法58
• 3.2 測量實驗58-65
• 3.2.1 實驗材料及攪拌頭58-59
• 3.2.2 實驗設(shè)備59-60
• 3.2.3 焊接扭矩和受力的測量60-64
• 3.2.4 焊接熱循環(huán)的測定64-65
• 3.3 滑移系數(shù)和摩擦系數(shù)的測試-計算法65-71
• 3.3.1 基本假設(shè)65-66
• 3.3.2 求解方法66-68
• 3.3.3 剪切應(yīng)力比值φ68-71
• 3.3.4 不同工藝參數(shù)下的滑移系數(shù)和摩擦系數(shù)71
• 3.4 本章小結(jié)71-73
• 第4章 復(fù)雜截面形狀攪拌針的FSW數(shù)學(xué)模型73-93
• 4.1 復(fù)雜截面形狀攪拌針的特點73-74
• 4.2 滑移網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用74-76
• 4.3 幾何模型和網(wǎng)格劃分76-78
• 4.4 控制方程78
• 4.5 界面上的產(chǎn)熱78-79
• 4.6 界面上的材料流動速度79-84
• 4.7 ST和TT攪拌頭的滑移系數(shù)和摩擦系數(shù)84-92
• 4.7.1 不同形狀攪拌頭的扭矩和受力84-88
• 4.7.2 ST和TT攪拌頭的測試-計算法88-92
• 4.8 本章小結(jié)92-93
• 第5章 結(jié)果與討論93-125
• 5.1 模擬結(jié)果的初步分析93-94
• 5.2 產(chǎn)熱分布94-103
• 5.2.1 界面上的產(chǎn)熱95-97
• 5.2.2 剪切層內(nèi)的產(chǎn)熱97-103
• 5.3 溫度分布103-108
• 5.4 材料塑性流動108-116
• 5.4.1 材料流動“快照”108-109
• 5.4.2 攪拌頭一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的材料流動109-113
• 5.4.3 材料流動區(qū)域113-116
• 5.5 實驗驗證116-123
• 5.5.1 關(guān)鍵點的焊接熱循環(huán)和最高溫度116-121
• 5.5.2 材料流動及焊縫橫斷面121-123
• 5.6 本章小結(jié)123-125
• 第6章 結(jié)論與展望125-127
• 6.1 結(jié)論125-126
• 6.2 展望126-127
• 參考文獻127-141
• 致謝141-143
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表和撰寫的論文143-145
• 攻讀博士學(xué)位期間參與的科研項目145
• 攻讀博士學(xué)位期間的獲獎情況145-147
• 附錄147-171
• 附件171

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 賀永海,張立武;攪拌摩擦焊用攪拌頭的研究進展[J];航天制造技術(shù);2005年05期

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本文編號：282511