熔化焊熱—相變—彈塑性耦合有限元模擬研究.pdf

1、熱—彈塑性模型作為經(jīng)典的焊接有限元模型，在有限元模擬中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，熱—彈塑性模型沒(méi)有考慮相變的影響，線性插值的材料物理性能參數(shù)處理方法過(guò)于簡(jiǎn)單，這些不足嚴(yán)重降低了焊接有限元模擬的精度。因此，構(gòu)建一套考慮相變影響的焊接有限元模型，并采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄇ蠼庠撃Ｐ统蔀槟壳昂附佑邢拊M研究領(lǐng)域的關(guān)鍵性問(wèn)題之一。
　　本文在以往相變動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)焊接過(guò)程的實(shí)際特點(diǎn)，構(gòu)建了鋼材和鈦合金熱—相變—彈塑性耦合有限元模型。隨后，對(duì)模

2、型進(jìn)行了求解，實(shí)現(xiàn)了熔化焊接熱—相變—彈塑性耦合有限元模擬。
　　首先，構(gòu)建焊接熱—相變—彈塑性模型。該模型的傳熱部分采用了傳統(tǒng)的瞬態(tài)導(dǎo)熱微分方程的形式進(jìn)行了表達(dá)，在構(gòu)建過(guò)程中將導(dǎo)熱微分方程轉(zhuǎn)化為了有限元形式；相變模型則選用了基于材料熱力學(xué)計(jì)算的相變動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行表達(dá)，利用材料熱力學(xué)方程求解相變動(dòng)力學(xué)方程中的自由能變化，并將相變動(dòng)力學(xué)方程轉(zhuǎn)化為有限元形式；應(yīng)力場(chǎng)的求解計(jì)算應(yīng)用了耦合相變影響的彈塑性模型進(jìn)行求解。該模型中，相變對(duì)焊接

3、過(guò)程的影響分為三個(gè)方面：材料物性參數(shù)的相變依賴性、相變導(dǎo)致的體積膨脹和相變導(dǎo)致的材料塑性。其中，第一個(gè)因素將會(huì)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)同步產(chǎn)生影響，而后兩個(gè)因素將只會(huì)影響焊接應(yīng)力場(chǎng)。
　　進(jìn)一步構(gòu)建了針對(duì)該模型的求解方法，包括焊接熱源的自動(dòng)加載、材料物性參數(shù)的求解和加載、焊接過(guò)程初始條件和邊界條件的定義及加載等焊接有限元計(jì)算所必須的功能。選取具有代表性的兩類材料鈦合金和鋼材，進(jìn)行焊接過(guò)程的模擬仿真，該求解代碼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接熱—相變—彈塑性

4、模型進(jìn)行求解。利用所構(gòu)建的焊接熱—相變—彈塑性模型，可以直接獲得焊接過(guò)程溫度場(chǎng)、奧氏體相體積分?jǐn)?shù)分布、液相體積分?jǐn)?shù)分布、鐵素體/珠光體相體積分?jǐn)?shù)分布、貝氏體相體積分?jǐn)?shù)分布、馬氏體相體積分?jǐn)?shù)分布及等效應(yīng)力場(chǎng)。這些量化數(shù)據(jù)將會(huì)直觀反映焊接過(guò)程溫度變化過(guò)程、相變過(guò)程及應(yīng)力轉(zhuǎn)化過(guò)程，為焊接工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。
　　此外，本文設(shè)計(jì)了三種鋼材的三變量三水平的正交實(shí)驗(yàn)，完成了激光焊接驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。通過(guò)比對(duì)焊后工件的外形及熔透性情況，選擇了最合理的

5、焊接工藝。隨后，通過(guò)熱電偶測(cè)溫、金相觀察和盲孔法測(cè)應(yīng)力等實(shí)驗(yàn)手段，獲取了焊接過(guò)程溫度場(chǎng)、相組分分布及應(yīng)力場(chǎng)，完成了硬度測(cè)試和拉伸性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果一方面反映了實(shí)際焊接狀態(tài)，另一方面用于驗(yàn)證模型的精度。
　　本文進(jìn)一步將所建立的熱—相變—彈塑性模型和不考慮相變的熱—彈塑性模型進(jìn)行了對(duì)比。將基于不同模型的焊接溫度變化曲線、應(yīng)力變化曲線模擬結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)相變對(duì)焊接過(guò)程的影響非常明顯。
　　在焊接熱—相變—彈塑性模型模