[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

权利要求书

1.一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，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：对模型进行三维建模；在SOLIDWORKS软件中，建立考虑几何形貌的搅拌头三维模型，并将其导入到ABAQUS软件中，由于不考虑搅拌头变形，将搅拌头设置为刚体；在ABAQUS软件中选取火箭贮箱筒段的局部作为焊件绘制三维模型，焊件整体设定为欧拉体，欧拉体被划分为材料层和欧拉空层，对材料层进行单独建模，将其设置为可变形实体，用于材料指派；

步骤2：定义搅拌头和贮箱的材料属性，分别设定随温度动态变化的材料参数；采用Johnson-Cook材料本构模型描述焊接过程中贮箱材料流变应力与应变、应变速率以及温度之间的关系；

步骤3：采用质量缩放方法减少环焊温度场仿真模型的计算时间；仿真整体时间由稳定时间增量Δt决定，见公式(1)，Δt越大，计算越快；

式中，L_e是模型最小网格单元长度；C_d是材料的膨胀波速度，E为弹性模量；ρ*为材料密度；

通过增大贮箱材料的密度放大质量，增大稳定时间增量，加快仿真速度；此时，贮箱筒段产热散热随之变化，如式(2)和式(3)所示；

Q_x,f＝CmΔT(2)

式中，Q_x,f是贮箱材料改变单位温度时吸收或放出的热量；C为单位质量贮箱材料的热容量；m为贮箱局部的质量；ΔT为温度改变量；

式中，ρ是贮箱密度；U_i是环焊过程中搅拌头在x和y方向上运动的速度；k是贮箱材料热导率；H._f是贮箱和搅拌头间的摩擦生热率；

对贮箱材料的密度参数进行放大后，贮箱吸收及放出热量会受到影响，缩小热容这一材料参数，即可对温度进行补偿；

步骤4：对模型进行装配和网格划分；

步骤5：定义分析步和输出，使用ABAQUS/Explicit进行显式动态分析；依次定义FSW环焊下压阶段分析步、停留阶段分析步、进给阶段分析步，选取节点温度作为输出场变量；

步骤6：定义接触性质和摩擦模型；搅拌头和贮箱间的接触作用设定为通用接触；法向接触选用硬接触；切向接触定义接触界面间的摩擦行为；摩擦模型选用库仑摩擦模型，如式(4)所示；

τ_eq＝τ_crit＝μp(4)

式中，τ_eq为等效摩擦应力；τ_crit为临界剪切力，计算的摩擦力即为接触界面间允许滑动的最大剪切力；p为接触点的接触应力；μ为随温度变化的非线性摩擦系数；

步骤7：设置贮箱局部的热边界条件；综合考虑对流传热和接触导热，对贮箱表面和大气、垫板、夹具之间的传热模式和传热系数进行设置；

步骤8：设置贮箱局部的机械边界条件，限制其自由度使其固定；分别设置搅拌头在搅拌摩擦环焊三个阶段的机械边界条件：在下压阶段，设定下压速度和绕自身中心轴自转的角速度；在停留阶段，设定搅拌头自转角速度；在进给阶段，搅拌头绕自身带有倾角的旋转轴旋转的同时，还绕筒段中心轴公转，需结合幅值-周期函数设置搅拌头位移和角速度，基于平行四边形定则进行运动合成，最终实现搅拌头环焊轨迹的设定；

对环焊进给阶段搅拌头的机械边界条件进行设定时，首先创建搅拌头自身的部件坐标系X₁Y₁Z₁，坐标系原点放置在搅拌针小径圆心处，Y₁轴平行于贮箱筒段中心轴线，Z₁轴为搅拌头自身旋转轴；设定搅拌头在部件坐标系三个方向的角速度；Y₁轴方向的角速度设定为筒段转速，X₁、Z₁轴方向的角速度大小设定为k，分别再定义幅值-周期函数曲线，周期函数用傅里叶级数表示，周期函数a的表达式如下：

其中，A₀为角速度的初始幅值，设定为0；A_n、B_n设置为自转角速度数值；设定k＝1；N为傅里叶级数的个数；ω_a为圆频率，单位为rad/s，设定为搅拌头的公转角速度；t_a为角速度幅值-周期函数曲线的起始时刻，设定为0；

如果刚体参与两个不同方向的转动，其角速度分别为和刚体合成的角速度遵守平行四边形定律，如式(6)；搅拌针在X₁、Y₁和Z₁轴方向的角速度进行两次合成后，搅拌针可绕自身中心轴自转，且中心轴绕Y₁轴旋转；

再对搅拌头在部件坐标系三个方向的位移进行设定；Y₁轴方向的位移设定为0，X₁和Z₁轴方向的位移大小设定为l，分别再定义两方向的位移幅值-周期函数曲线，周期函数b的表达式如下：

其中，C₀为位移的初始幅值，设定为0；C_n、D_n设定为搅拌头的公转半径值；设定l＝1；ω_b设定为搅拌头的公转角速度；t_b为位移幅值-周期函数曲线的起始时刻，考虑搅拌头倾角这一因素，还需要设定t_b参数，t_b计算公式如式(8)所示；然后遵从平行四边形定则实现位移合成，最终完成了搅拌头环焊进给阶段的轨迹设定；

式中，α为搅拌针下压时倾角；ω为圆频率，设定为公转角速度；

步骤9：建立离散场，对欧拉体进行材料指派；欧拉体的材料层被赋予材料，欧拉空层供焊接过程焊件上表面材料流动；将材料层实体排除在仿真外，不参与仿真计算；

步骤10：创建任务并递交运算，为保证Abaqus运动合成稳定且计算准确，Abaqus/Explicit的计算精度设置为“两者-分析+packager”，输出精度设置为“完全”；获取不同焊接工艺参数组合下的环焊温度场，从而实现不同焊接工艺参数组合下火箭贮箱FSW核心区温度预测。