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)主導地位。然而，熱—彈塑性模型沒有考慮相變的影響，線性插值的材料物理性能參數(shù)處理方法過于簡單，這些不足嚴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?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)鍵性問題之一。
　　本文在以往相變動力學研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)焊接過程的實際特點，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，對模

2、型進行了求解，實現(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)導熱微分方程的形式進行了表達，在構(gòu)建過程中將導熱微分方程轉(zhuǎn)化為了有限元形式；相變模型則選用了基于材料熱力學計算的相變動力學方程進行表達，利用材料熱力學方程求解相變動力學方程中的自由能變化，并將相變動力學方程轉(zhuǎn)化為有限元形式；應(yīng)力場的求解計算應(yīng)用了耦合相變影響的彈塑性模型進行求解。該模型中，相變對焊接

3、過程的影響分為三個方面：材料物性參數(shù)的相變依賴性、相變導致的體積膨脹和相變導致的材料塑性。其中，第一個因素將會對溫度場和應(yīng)力場同步產(chǎn)生影響，而后兩個因素將只會影響焊接應(yīng)力場。
　　進一步構(gòu)建了針對該模型的求解方法，包括焊接熱源的自動加載、材料物性參數(shù)的求解和加載、焊接過程初始條件和邊界條件的定義及加載等焊接有限元計算所必須的功能。選取具有代表性的兩類材料鈦合金和鋼材，進行焊接過程的模擬仿真，該求解代碼，實現(xiàn)了對焊接熱—相變—彈塑性

4、模型進行求解。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程溫度場、奧氏體相體積分數(shù)分布、液相體積分數(shù)分布、鐵素體/珠光體相體積分數(shù)分布、貝氏體相體積分數(shù)分布、馬氏體相體積分數(shù)分布及等效應(yīng)力場。這些量化數(shù)據(jù)將會直觀反映焊接過程溫度變化過程、相變過程及應(yīng)力轉(zhuǎn)化過程，為焊接工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。
　　此外，本文設(shè)計了三種鋼材的三變量三水平的正交實驗，完成了激光焊接驗證實驗。通過比對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，通過熱電偶測溫、金相觀察和盲孔法測應(yīng)力等實驗手段，獲取了焊接過程溫度場、相組分分布及應(yīng)力場，完成了硬度測試和拉伸性能測試。實驗結(jié)果一方面反映了實際焊接狀態(tài)，另一方面用于驗證模型的精度。
　　本文進一步將所建立的熱—相變—彈塑性模型和不考慮相變的熱—彈塑性模型進行了對比。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)果同實驗結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)相變對焊接過程的影響非常明顯。
　　在焊接熱—相變—彈塑性模型模