一种线性摩擦焊接头单轴拉伸模拟计算方法技术

本发明专利技术涉及一种线性摩擦焊接头单轴拉伸模拟计算方法，属于焊接以及断裂力学数值仿真技术领域。包括以下步骤：划分焊接模型子区域，分配区域序号；建立高温合金线性摩擦焊接有限元模型；确定微拉伸试样尺寸及其截取位置；建立高温合金线性摩擦焊接头微拉伸有限元模型。本发明专利技术基于高温合金线性摩擦焊数值模拟结果，以不同子区域的焊接应力终态作为接头微拉伸的应力初态，充分考虑到高温合金线性焊接头微拉伸模型不同区域的力学性能差异。该计算成形保证了计算的连续性、保证了应力集中区域的可预测性，对高温合金线性焊接头断裂力学的理论研究具有重要的价值和意义。

【技术实现步骤摘要】
一种线性摩擦焊接头单轴拉伸模拟计算方法
本专利技术属于焊接以及断裂力学数值仿真
，涉及航空航天用耐高温材料线性摩擦焊接成形过程、机理及物理场演变规律以及线性焊接头的断裂损伤动态演变规律及探索。具体为一种线性摩擦焊接头单轴拉伸模拟计算方法。
技术介绍
线性摩擦焊是一个高温高压下的热－力耦合(能量转换)过程和固态冶金过程，其克服了其他摩擦焊接工艺方法对焊接工件形状的限制。高温合金是航空、航天和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、高压压气机盘和燃烧室等高温部件不可替代的关键材料，但在国内，整体叶盘制造领域仅局限于钛合金叶盘的焊接工艺，那是因为镍基高温合金特别是高温性能更高的粉末冶金高温合金的焊接性差，不适合用于整体叶盘的焊接制造，线性摩擦焊是一种优良的整体叶盘制造工艺，开展高温合金的线性摩擦焊接基础理论研究，将更加有力支撑我国航空发动机中整体叶盘的制造技术水平的发展，来促进我国航空发动机制造技术的进步和性能的保障，是非常必要和具有实际意义的。高温合金线性焊接头的服役常常处于高温的环境中，并且受到循环载荷的作用，除此之外，还需要承受高速、动态载荷，接头可能失稳断裂，不仅会对航空发动机的后续使用产生不利影响，甚至会发生飞机失事等重大事故，那么对于高温合金线性焊接头断裂力学的理论研究具有重要的价值和意义。现有的断裂力学数值模拟方法中多为单轴拉伸断裂方法，且是对高强钢、镁合金、铝合金、高温合金等原材料的单轴拉伸断裂行为的数值模拟，而焊接接头由于与其原材料的显微组织不同，初始应力状态不同、各个焊接区域材料属性不同，因而在接头的模型表征、接头的单轴拉伸数值模拟方面(建模、材料属性、模型分区、初始应力引入等方面)有很大的难度。中南大学邓姣的硕士论文“高温合金塑性变形过程中的断裂失效研究”中研究了高温合金高温拉伸变形过程中的局部颈缩规律，分析了变形参数和初始时效时间对损伤模型特征参数的影响，建立了基于参数的损伤模型特征参数的数学表达，获得了高温合金拉伸变形的GTN损伤模型参数，但并未涉及高温合金接头的单轴拉伸模拟分析；南京航空航天大学的许凯旋的硕士论文“GH4169镍基合金延性断裂行为建模与数值模拟研究”针对盘用GH4169镍基高温合金，对其塑性变形和延性断裂行为进行了理论建模和数值模拟研究工作，采用反演法优化估计了GH4169合金的B-W模型材料参数，基于B-W模型对GH4169光滑和缺口试样的拉伸响应进行了有限元计算分析，但仍然只是针对高温合金原材料。
技术实现思路
要解决的技术问题为了解决焊接接头的单轴拉伸数值模拟计算在接头建模、初始应力导入、模型分区及材料属性分区重难点问题，本专利技术提供一种线性摩擦焊接头单轴拉伸模拟计算方法。技术方案一种线性摩擦焊接头残余应力及其单轴拉伸顺序模拟计算方法，其特征在于步骤如下：步骤1：划分焊接模型子区域，分配区域序号依据高温合金线性摩擦焊接过程金属流动特性及焊后接头形貌对焊接模型划分子区域，确定接头飞边位置为材料流动区，其余位置为材料非流动区；依据高温合金线性摩擦焊接过程约束与受力特征对焊接模型划分子区域，确定夹具夹持端为固定区域，无夹具夹持端为自由区域；依据上述4个子区域的显微组织特征，合并上述两类子区域，将其分为焊缝区、热影响区、母材区三个子区域；步骤2：建立高温合金线性摩擦焊接有限元模型基于ABAQUS有限元分析软件建立高温合金的线性摩擦焊几何模型，分为振动刚体tool和变形体试样sample；对sample部件创建分区，将sample划分为焊缝区、热影响区以及母材区，将焊缝区及热影响区设置为夹持端区域，母材区设置为自由端区域；建立高温合金的材料属性参数并设置高温合金材料本构，对焊接试样sample赋予截面属性；选择质量缩放因子以及ALE自适应网格参数，质量缩放因子及ALE自适应网格参数的选取原则为：对ALE自适应网格参数中的Frequency和MeshSweeps进行设置，Frequency控制是对整个StepTime中网格Remesh的次数进行控制，其中Remesh次数n可由式(1)来表征，质量缩放参数的选取原则可由显示动力学过程稳定极限的估计公式(2)来表征；n＝Incrementnumber/Frequency(1)其中Le是最小的特征单位长度，cd是材料的膨胀波速；所述材料的膨胀波速又可以由式(3)来表征；其中E为杨氏模量，ρ为材料密度；依据实际线性摩擦焊接过程被焊工件的接触与散热情况，在线性摩擦焊接数值模拟过程中设置tool工件与sample工件接触面间的摩擦产热；依据焊接过程中sample工件与夹具之间的热传导、焊缝在空气中的热辐射，对sample子区域进行膜层散热设置；依据线性摩擦焊实际焊接过程，对sample工件夹持端施加顶锻力，限制夹持端X方向的位移以及X-Y平面的转动，限制tool工件Y方向的位移和X-Y方向的转动，定义tool工件线性振动周期型幅值曲线，幅值曲线满足以下公式：t≥t0时：幅值t＜t0时：幅值a＝A0(5)其中N为傅立叶级数项的个数；ω为圆周频率；t0为起始时刻；A0为初始幅值；An为cos项的系数；Bn为cos项的系数；对sample工件及tool工件施加预定义温度场；所述线性摩擦焊接有限元模型中sample工件子区域由母材区至焊缝区网格逐渐细化，网格控制属性为四边形自由进阶算法以及四边形为主自由进阶算法，单元类型选择显示CPE4RT四结点热耦合平面应变四边形单元，双线性位移和温度，采用减缩积分，沙漏控制；网格设置完成进入计算阶段需对计算过程进行实时监控，保证计算过程的收敛性，跟踪不同子区域的温度、应力应变以及速度场的演变情况，获得各个子区域应力最大值-时间曲线；在计算过程中，基于能量守恒定律及傅里叶传热公式，线性摩擦焊的瞬态温度场在二维直角坐标系中可表达为：式中，ρ是密度，Cp是定压比热容，t是时间，kx，ky分别是材料沿x、y、z方向的热导系数，Q是内热源强度，此处指塑性变形产热机理；步骤3：确定微拉伸试样尺寸及其截取位置确定本专利技术中微拉伸试样的尺寸为原始焊接接头常规拉伸试样按比例缩放，步骤2中高温合金线性摩擦有限元模拟成形完成了不同特征子区域的成形，后处理分析得到接头更为精确的残余应力分布，分析不同子区域的局部应力集中情况且结合实际接头界面及其附近出现非正常情况，确定微拉伸试样的截取位置为以接头界面应力集中点、界面附近区域应力集中点、界面附近区域应力较大值为中心部位，沿着垂直于振动方向截取拉伸试样；步骤4：建立高温合金线性摩擦焊接头微拉伸有限元模型基于ABAQUS有限元分析软件建立高温合金线性焊接头的微拉伸几何模型，并根据步骤3中的线性焊接头依据应力结果的取样位置差异，划分正确的微拉伸焊缝区、热影响区以及母材区，建立不同的微拉伸几何模型；设置接头材料属性参数并赋予微拉伸试样截面属性；依据公式1和2设置质量缩放因子以及ALE自适应网格参数；设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种线性摩擦焊接头残余应力及其单轴拉伸顺序模拟计算方法，其特征在于步骤如下：/n步骤1：划分焊接模型子区域，分配区域序号/n依据高温合金线性摩擦焊接过程金属流动特性及焊后接头形貌对焊接模型划分子区域，确定接头飞边位置为材料流动区，其余位置为材料非流动区；依据高温合金线性摩擦焊接过程约束与受力特征对焊接模型划分子区域，确定夹具夹持端为固定区域，无夹具夹持端为自由区域；依据上述4个子区域的显微组织特征，合并上述两类子区域，将其分为焊缝区、热影响区、母材区三个子区域；/n步骤2：建立高温合金线性摩擦焊接有限元模型/n基于ABAQUS有限元分析软件建立高温合金的线性摩擦焊几何模型，分为振动刚体tool和变形体试样sample；对sample部件创建分区，将sample划分为焊缝区、热影响区以及母材区，将焊缝区及热影响区设置为夹持端区域，母材区设置为自由端区域；/n建立高温合金的材料属性参数并设置高温合金材料本构，对焊接试样sample赋予截面属性；选择质量缩放因子以及ALE自适应网格参数，质量缩放因子及ALE自适应网格参数的选取原则为：对ALE自适应网格参数中的Frequency和Mesh Sweeps进行设置，Frequency控制是对整个Step Time中网格Remesh的次数进行控制，其中Remesh次数n可由式(1)来表征，质量缩放参数的选取原则可由显示动力学过程稳定极限的估计公式(2)来表征；/nn＝Incrementnumber/Frequency (1)/n...

【技术特征摘要】
1.一种线性摩擦焊接头残余应力及其单轴拉伸顺序模拟计算方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：划分焊接模型子区域，分配区域序号
依据高温合金线性摩擦焊接过程金属流动特性及焊后接头形貌对焊接模型划分子区域，确定接头飞边位置为材料流动区，其余位置为材料非流动区；依据高温合金线性摩擦焊接过程约束与受力特征对焊接模型划分子区域，确定夹具夹持端为固定区域，无夹具夹持端为自由区域；依据上述4个子区域的显微组织特征，合并上述两类子区域，将其分为焊缝区、热影响区、母材区三个子区域；
步骤2：建立高温合金线性摩擦焊接有限元模型
基于ABAQUS有限元分析软件建立高温合金的线性摩擦焊几何模型，分为振动刚体tool和变形体试样sample；对sample部件创建分区，将sample划分为焊缝区、热影响区以及母材区，将焊缝区及热影响区设置为夹持端区域，母材区设置为自由端区域；
建立高温合金的材料属性参数并设置高温合金材料本构，对焊接试样sample赋予截面属性；选择质量缩放因子以及ALE自适应网格参数，质量缩放因子及ALE自适应网格参数的选取原则为：对ALE自适应网格参数中的Frequency和MeshSweeps进行设置，Frequency控制是对整个StepTime中网格Remesh的次数进行控制，其中Remesh次数n可由式(1)来表征，质量缩放参数的选取原则可由显示动力学过程稳定极限的估计公式(2)来表征；
n＝Incrementnumber/Frequency(1)



其中Le是最小的特征单位长度，cd是材料的膨胀波速；所述材料的膨胀波速又可以由式(3)来表征；



其中E为杨氏模量，ρ为材料密度；
依据实际线性摩擦焊接过程被焊工件的接触与散热情况，在线性摩擦焊接数值模拟过程中设置tool工件与sample工件接触面间的摩擦产热；依据焊接过程中sample工件与夹具之间的热传导、焊缝在空气中的热辐射，对sample子区域进行膜层散热设置；依据线性摩擦焊实际焊接过程，对sample工件夹持端施加顶锻力，限制夹持端X方向的位移以及X-Y平面的转动，限制tool工件Y方向的位移和X-Y方向的转动，定义tool工件线性振动周期型幅值曲线，幅值曲线满足以下公式：
t≥t0时：幅值
t＜t0时：幅值a＝A0(5)
其中N为傅立叶级数项的个数；ω为圆周频率；t0为起始时刻；A0为初始幅值；An为cos项的系数；Bn为cos项的系数；
对sample工件及tool工件施加预定义温度场；所述线性摩擦焊接有限元模型中sample工件子区域由母材区至焊缝区网格逐渐细化，网格控制属性为四边形自由进阶算法以及四边形为主自由进阶算法，单元类型选择显示CPE4RT四结点热耦合平面应变四边形单元，双线性位移和温度，采用减缩积分，沙漏控制；网格设置完成进入计算阶段需对计算过程进行实时监控，保证计算过程的收敛性，跟踪不同子区域的温度、应力应变以及速度场的演变情况，获得各个子区域应力最大值-时间曲线；在计算过程中，基于能量守恒定律及傅里叶传热公式，线性摩擦焊的瞬态温度场在二维直角坐标系中可表达为：



式中，ρ是密度，Cp是定压比热容，t是时间，kx，ky分别是材料沿x、y、z方向的热导系数，Q是内热源强度，此处指塑性变形产热机理；...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨夏炜，王艳莹，彭冲，徐雅欣，李文亚，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61