[发明专利]基于deform的连续摩擦焊接弱规范的数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于DEFORM的连续摩擦焊接弱规范的数值模拟方法，包括：基于DEFORM软件扭转变形模拟功能，建立双工件几何模型，上模施加摩擦压力，下模施加转速，双工件选用弹塑性体；上模代表摩擦焊机尾座夹具，下模代表摩擦焊机主轴夹具，双工件选用弹塑性体；建立对库仑摩擦的摩擦系数μ和摩擦面的温度T、压力p以及旋转工件等效直径线速度V的函数关系，将函数关系写入对库仑摩擦的用户子程序usr_bcc.f，根据用户子程序usr_bcc.f生成DEF_SIM.exe文件并替换；对双工件进行模拟处理，根据模拟处理结果修正摩擦焊接工艺。本发明能够为摩擦焊接工艺设计和工艺优化提供数据支持。

技术领域

本发明涉及属于摩擦焊接领域，具体说，涉及一种连续驱动摩擦焊接弱规范数值模拟方法。

背景技术

连续驱动摩擦焊接过程是一个非常复杂的热力耦合过程，具有时间短、温度高、变形大的特征，期间伴随和耦合着摩擦热的产生和传散、塑性变形和塑性流动等一系列的物理现象。因此在实际生产中，普遍采用“试错法”进行焊接工艺参数的确定和改进优化，但是，“试错法”存在周期长、成本高等问题。

数值模拟技术是使材料科学和材料加工相关研究从“经验”走向科学，从“定性”走向“定量”的桥梁。上世纪60年代以来，高校和研究单位的学者使用ANSYS、ABAQUS、MARC等CAE软件，在摩擦焊接过程数值模拟方面做了大量研究工作。DEFORM作为专业金属成形有限元模拟软件，选用DEFORM软件Plastic工件类型和Coulomb摩擦类型，并输入一个随温度变化的界面摩擦系数，仅仅能够模拟连续驱动摩擦焊接过程温度场、应力场、应变场、变形速率场等情况。

摩擦扭矩是工艺设计过程中进行设备选择的主要依据，峰值扭矩超出设备扭矩极限，则造成“闷车”事故。另外，摩擦加热是摩擦焊接的物理基础，摩擦加热功率的大小与摩擦扭矩直接相关，其随摩擦时间的变化关系，直接影响接头的加热过程、焊接生产率和焊接质量，也将影响摩擦焊机的设计与制造。但是，摩擦扭矩是实际焊接过程中输出的参量，是摩擦界面材料微观变化的“力学宏观表现”，其影响因素复杂，目前未发现有关数值模拟成果。

基于DEFORM软件和文献报导，对低摩擦压力焊接(比如一级摩擦压力10～20Mpa)进行了长时间的数值模拟研究，始终无法得到令人满意的结果。因此，基于DEFORM这一专业软件，开发一级摩擦压力10～20Mpa、摩擦速度0.6m/s～3.0m/s的弱规范摩擦焊接数值模拟方法，实现对摩擦焊接过程的摩擦扭矩、轴向缩短量，以及温度场、应力场、应变场、变形速率场等情况的有限元数值模拟，对设计和优化摩擦焊接工艺参数具有重要意义。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种连续驱动摩擦焊接弱规范数值模拟方法，能够为摩擦焊接工艺设计和工艺优化提供数据支持。

技术方案如下：

一种基于DEFORM的连续摩擦焊接弱规范的数值模拟方法，包括：

基于DEFORM软件扭转变形模拟功能，建立双工件几何模型，上模施加摩擦压力，下模施加转速，双工件选用弹塑性体；上模代表摩擦焊机尾座夹具，下模代表摩擦焊机主轴夹具；

建立对库仑摩擦的摩擦系数μ和摩擦面的温度T、压力p以及旋转工件等效直径线速度V的函数关系，将函数关系写入对库仑摩擦的用户子程序usr_bcc.f，根据用户子程序usr_bcc.f生成新DEF_SIM.exe文件并替换原有的DEF_SIM.exe文件；函数关系为其中f₀、a_p、b_T、c_v为相关材料和工艺参数的影响因子，在0.6m/s～3.0m/s的范围内，c_v＝c₁-c₂V，其中c₁取1.20～1.50，c₂取0.18～0.24；公式中r为有限元单元的旋转半径，t为摩擦时间，μ(r,t)为旋转半径为r的有限元单元在t时刻的摩擦系数；