[发明专利]一种基于环焊温度场仿真的火箭贮箱FSW核心区温度预测方法

说明书

本发明公开一种基于环焊温度场仿真的火箭贮箱FSW核心区温度预测方法。该方法基于ABAQUS/CEL法建立贮箱环焊过程温度场仿真模型：建立搅拌头与贮箱局部筒段的三维模型，并进行网格划分和装配；设定材料属性，建立离散场对欧拉体进行材料指派；设定搅拌头与焊件的接触属性、摩擦模型及热边界条件；明确焊接过程力边界条件，结合幅值‑周期函数设置搅拌头机械边界条件，基于平行四边形定则进行运动合成，实现环焊进给阶段搅拌头既自转又公转的运动轨迹设定；使用质量缩放技术缩减模型计算时间。本发明有效解决火箭燃料贮箱FSW核心区温度预测难题，为贮箱筒段环焊工艺参数优化及基于温度的过程调控提供技术基础。

技术领域

本发明属于火箭贮箱搅拌摩擦焊领域，涉及一种基于环焊温度场仿真的火箭贮箱搅拌摩擦焊(Friction stir welding，FSW)核心区温度预测方法。基于ABAQUS/CEL法建立有限元仿真模型，实现火箭贮箱FSW核心区温度预测。

背景技术

贮箱是火箭的主要承力结构，制造过程形性控制要求极高。目前，火箭贮箱通常采用强度高、高温力学性能好的2219铝合金。Friction stir welding(FSW)由于焊后接头力学性能好，接头的残余应力和形变较小，不需要焊丝等填充材料和保护气等优势，成为火箭燃料贮箱首选焊装工艺。

贮箱筒段环焊通常采用龙门式焊接设备。贮箱筒段旋转，按照运动相对性，等效为贮箱不做进给，搅拌头绕贮箱中心轴相对公转，实现周向进给。同时，搅拌头绕自身旋转轴自转。相较于FSW平板焊接，环焊筒段的焊缝形状从一维线性变为二维环形。环焊过程中焊件与搅拌头之间的接触面积大小、接触压力、焊件内塑性材料流动轨迹与平板焊接迥异，导致焊件摩擦产热、材料塑性变形产热、热塑化材料的流动散热发生改变，进而导致核心区温度场改变。核心区温度场是焊接机理分析、工艺参数优化、焊接实时调控等其他相关研究的基础。

FSW温度场研究主要有实验法和仿真法。实验法包括基于热电偶的接触式测温方法和基于热像仪的非接触测温方法。热电偶埋入焊件或者搅拌头的实验测温法会破坏焊件或搅拌头的强度，且只能获取有限数量的特征点温度，不适于重型火箭燃料贮箱测温；基于热像仪的实验测温法只能获得表面温度分布，无法获取FSW核心区温度场。通过有限元仿真技术对FSW环焊过程进行建模，能够实现核心区温度分布的获取。

ABAQUS/CEL法是一种将计算流体力学和计算固体力学相结合的流-固耦合有限元仿真方法，该技术能够描述FSW过程中的剧烈变形和搅拌头与被焊件接触引起的温度动态变化，有效避免网格畸变，在保证仿真温度场计算准确性的同时能够获取核心区全焊接阶段的温度预测。现有基于ABAQUS/CEL法的平板FSW温度场仿真研究为实现贮箱筒段FSW核心区温度预测提供了参考。但ABAQUS软件中的拉格朗日体只能绕同一坐标系旋转，环焊进给阶段的搅拌头需同时绕自身中心轴自转和绕筒段中心轴公转，机械边界条件的设定方式亟待明确；为保证运动轨迹的运行准确，需提高CEL法计算和输出精度，温度场模型所需计算时间较长，需要进行缩减。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于环焊温度场仿真的火箭贮箱FSW核心区温度预测方法。以有限元搅拌摩擦焊仿真为基础，实现环焊温度场的建立，对火箭贮箱FSW核心区温度进行准确预测。

本发明采用的技术方案是：

一种基于环焊温度场仿真的火箭贮箱FSW核心区温度预测方法，基于ABAQUS/CEL的仿真方法，对搅拌头和焊件进行三维建模、网格划分和装配；设定材料属性，建立离散场对焊件进行材料指派；考虑搅拌头与焊件接触处产生的摩擦热和搅拌头附近焊件材料的塑性变形热，定义接触性质，构建摩擦模型和材料本构模型；明确焊接过程的热、力边界条件，结合幅值-周期函数设置搅拌头机械边界条件，基于平行四边形定则进行运动合成，实现环焊进给阶段搅拌头既自转又公转的运动轨迹设定；使用质量缩放技术，有效缩减模型计算时间。基于环焊温度场仿真模型的建立，实现火箭贮箱FSW核心区的温度预测。

具体步骤如下：