[发明专利]一种线性摩擦焊接头单轴拉伸模拟计算方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于焊接以及断裂力学数值仿真技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

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，本发明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