[发明专利]一种线性摩擦焊接头单轴拉伸模拟计算方法

权利要求书

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；

n＝Incrementnumber/Frequency (1)

其中L^e是最小的特征单位长度，c_d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；A_n为cos项的系数；B_n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，C_p是定压比热容，t是时间，k_x，k_y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

确定本发明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；设置微拉伸试样的边界条件和预定义场，包括对微拉伸试样的底部夹持端区域设置固定约束，给定顶端区域X方向的位移量；分别添加焊缝区、热影响区以及母材区的初始残余应力场以及初始温度场，本发明初始应力场来源于步骤2和步骤3中高温合金线性焊接头不同取样位置区域所计算的应力数据；网格属性采用Abaqus Explicit热温度-位移耦合C3D8RT单元类型；网格设置完毕后进入模拟计算及后处理分析阶段，包括获得拉伸过程曲线、拉伸颈缩及断裂过程的动态演变，获得延伸率及抗拉强度值，确定本发明所述高温合金线性焊接头微拉伸模型的有效性及可行性。