[发明专利]一种铝合金超厚板的双面搅拌摩擦焊焊接过程模拟方法

权利要求书

1.一种铝合金超厚板的双面搅拌摩擦焊焊接过程模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在Abaqus软件中建立搅拌摩擦焊搅拌头与铝合金超厚板焊接的有限元模型；

S2、使用Abaqus软件对有限元模型进行网格划分；

S3、设置铝合金超厚板的双面搅拌摩擦焊的焊接工步；

S4、设置铝合金超厚板的材料属性；

S5、设置搅拌摩擦焊搅拌头与铝合金超厚板的相互作用关系；

S6、设置搅拌摩擦焊焊接的载荷与边界条件；

S7、将S3-S6中设置的条件和参数输入到Abaqus软件中，并点击Abaqus软件中的job进行提交运算；

S8、对Abaqus软件运算后的结果进行读取和分析。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金超厚板的双面搅拌摩擦焊焊接过程模拟方法，其特征在于，所述S1中包括以下步骤：

S1-1、设置搅拌摩擦焊搅拌头与铝合金超厚板焊接的几何模型尺寸；

S1-2、运用等效替代法，通过加大轴肩压力使得轴肩的产热能够替代搅拌摩擦焊摩擦生热的总产热；

S1-3、使用假设简化模型的方法，在Abaqus软件中建立搅拌摩擦焊搅拌头与铝合金超厚板焊接的有限元模型。

3.根据权利要求2所述的一种铝合金超厚板的双面搅拌摩擦焊焊接过程模拟方法，其特征在于，所述S1-1中，铝合金超厚板是长度为200mm，宽度为200mm，高度为80mm的长方体，轴肩是直径为48mm，高度为10mm的圆柱体，且底部有1mm的倒角，并设为刚体；搅拌针尺寸是下底面直径为20mm，上底面直径为10mm，高度为43mm的圆台，搅拌头和铝合金超厚板进行装配时，搅拌头位于铝合金超厚板的左端，搅拌头的底面圆心与铝合金超厚板边缘的距离为30mm。

4.根据权利要求3所述的一种铝合金超厚板的双面搅拌摩擦焊焊接过程模拟方法，其特征在于，所述S1-2中，具体计算步骤如下：

I、计算搅拌摩擦焊摩擦生热的总产热

搅拌摩擦焊摩擦生热的总产热的表达式如下：

Q＝η(Q₁+Q₂)

Q₂＝Q₃+Q₄

式中，Q为摩擦生热产生的总热量,Q₁为轴肩产热，Q₂为搅拌针产热，Q₃为搅拌针侧面产热，Q₄为搅拌针顶部产热，单位为J；η为焊接热效率；

II、计算轴肩的产热功率

假设搅拌摩擦焊的下压力均匀分布于轴肩上，设定轴肩受力区域的微元：半径为r，宽度为dr的微元上受到的摩擦力表达式如下：

df＝μF＝μP2πrdr

式中，F为轴肩所受压力，单位为N；P为轴肩所受压强，单位为N/m²；μ为摩擦系数；

轴肩的微元上所受旋转力矩微元的表达式如下：

dM＝edf＝μP2πr²dr

轴肩所受旋转力矩的表达式如下：

式中，M₁为轴肩的旋转力矩，单位为Ngm，R₂为搅拌针底部半径，R₃为轴肩半径；

轴肩的产热功率表达式如下：

式中，W₁为轴肩的产热功率，单位为W；w为搅拌针角速度，单位为rad/s；n为搅拌针转速，单位为r/s；

III、计算搅拌针的产热功率

搅拌针侧面积的表达式如下：

式中，S₁为搅拌针侧面积，单位为mm²；R₁为搅拌针顶部半径，H为搅拌针高度，单位为mm；α为圆台型搅拌针侧面倾角，单位为°；

搅拌针侧面受力的表达式如下：

在搅拌针与铝合金超厚板接触的锥型搅拌孔处取微元ds，则该微元受摩擦力的表达式如下：

df＝μPds

搅拌针微元上所受的旋转力矩微元的表达式如下：

搅拌针微元的产热功率的表达式如下：

dW＝wdM＝μwrPds

搅拌针侧面的产热功率表达式如下：

式中，W₂为搅拌针侧面总产热功率，单位为W；

搅拌针顶部的产热功率的表达式如下：

式中，W₃为搅拌针顶部总产热功率，单位为W；

相加得到搅拌针的总产热为：

IV、计算轴肩产热功率与搅拌针产热功率之比

轴肩产热与搅拌针产热之比的表达式如下：

轴肩产热与总产热之比的计算公式如下：

由上式可知，轴肩产热占总产热的62.4％，轴肩产热与轴肩所受压强的大小成正比，将轴肩所受压强扩大为原来的1.60倍能够等效搅拌摩擦焊摩擦生热的总产热。