基于晶体塑性的搅拌摩擦焊力学行为预测

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搅拌摩擦焊接技术与传统的焊接相比污染较小,尤其对于铝合金的焊接是非常适用的。随着实验和理论研究的深入,目前已经应用到工业化生产的各个领域,如飞机、地铁、汽车等制造领域。在焊接过程中,接头位置处的微观组织在搅拌针搅拌作用下发生一系列变化,这些变化会对接头的宏观力学性能产生重大影响,因此有必要对接头位置处微观结构演化和宏观力学性能的关联性进行研究。本文基于晶体塑性的基本理论,建立了搅拌摩擦焊接温度-微观结构-力学行为一体化的数值计算模拟流程。本文以6005A-T6铝合金为研究对象,采用移动热源数值计算模型对不同焊接速度下的焊接过程进行了模拟。提取不同焊接速度下接头位置处焊核区(WNZ)的温度场,对不同焊接速度下的温度历程变化进行了对比说明。本文将基于移动热源方法计算得到的不同焊速下焊核区的温度分布历程应用到微观结构演化的模拟计算中,根据Monte Carlo方法对晶粒的生长过程进行预测,得到温度历程影响下的晶粒平均尺寸和晶粒形貌特征,并对不同焊接速度下的晶粒生长结果进行了对比。同时,利用有限元软件HYPERMESH的脚本语言提取Monte Carlo方法计算得到的多晶体的几何信息,将Monte Carlo多晶体几何模型转化为有限元模型,并对整个转化的流程进行了说明。本文基于晶体塑性有限元的基本理论,通过在有限元软件ABAQUS中调用UMAT完成对不同焊速下焊核区的力学性能计算。将数值模拟得到的屈服强度值与实验值进行对比,对本文的计算结果进行了验证。分析了不同焊接速度下焊核区的应力分布特点,对比了相同焊速下不同滑移系的开动情况。结果表明不同晶粒内部滑移系激活程度不同,同一晶粒内部不同滑移系的激活程度也是不同的,并对应力、应变分布的不均匀性进行了解释说明。本文最终以焊接速度为200 mm?min-1为例,为Monte Carlo多晶体赋予四组不同的初始取向值。在其他参数一致的前提下,对四组初始取向下的计算结果进行对比分析。结果表明,本文采用60个晶粒进行计算时,能够较好的表达多晶体的宏观均匀性特征。
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