慣性摩擦焊通過飛輪的儲能將機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,使焊件焊接面溫度迅速升高,焊件達到熱塑性狀態(tài),通過頂鍛壓力的作用完成焊接。在這一過程中包含著復(fù)雜的熱力耦合作用。由于慣性摩擦焊是一種節(jié)能、高效、環(huán)保的固態(tài)焊接方法,因此被廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天等眾多領(lǐng)域之中。正是因為慣性摩擦焊有著這樣的優(yōu)越性,所以國內(nèi)外的學者對這項技術(shù)展開了廣泛而又深入的研究。普通的試驗研究方法周期長、成本高,并且具有盲目性,選用有限元分析的方法可以有效規(guī)避這些問題,大大縮小了研發(fā)的時間以及降低了價格成本,有限元分析的方法對于試驗的進行也有著非常重要的指導(dǎo)作用。本文在總結(jié)了國內(nèi)外對于慣性摩擦焊研究的基礎(chǔ)上,以TC4鈦合金為研究對象,根據(jù)慣性摩擦焊的焊接特點,將焊接模型簡化為二維軸對稱模型。結(jié)合彈塑性力學,為數(shù)值模擬中材料變化分析提供理論支持。通過分析慣性摩擦焊中的摩擦行為、摩擦扭矩、角速度以及熱力耦合行為,結(jié)合熱分析理論得到數(shù)值模擬中的邊界條件。本文采用ALE技術(shù)以及Johnson-Cook損傷模型控制網(wǎng)格畸變以及模擬材料變形。對建立好的數(shù)值模型進行分析,根據(jù)摩擦行為以及材料變化將慣性摩擦焊整個過程分為四個階段,并對每個階段的溫度變化進行了分析。得到了慣性摩擦焊焊接過程中軸向縮短量以及軸向應(yīng)力與徑向應(yīng)力變化規(guī)律,分析得到了飛邊形成的原因。通過單一因素變量法分析得到轉(zhuǎn)速、頂鍛壓力、轉(zhuǎn)動慣量以及焊件直徑對慣性摩擦焊溫度以及軸向縮短量的影響。當焊件直徑一定的情況下通過正交實驗確定其余三個因素哪個是對慣性摩擦焊焊接影響最大的因素,并基于上述兩個試驗得到最佳工藝參數(shù)。根據(jù)模擬分析所得的TC4鈦合金慣性摩擦焊工藝參數(shù),以及該工藝參數(shù)對于慣性摩擦焊的影響進行了實際的焊接試驗。焊接后對于焊件的軸向縮短量以及焊接時飛邊的溫度變化進行了測量,而后又進行了焊件的拉伸試驗以驗證焊接質(zhì)量的優(yōu)劣。試驗表明,數(shù)值模擬以及正交實驗得出的工藝參數(shù)在一定范圍內(nèi)對于慣性摩擦焊的焊接優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用,實際焊接出的結(jié)果表明焊接質(zhì)量良好,變化基本符合數(shù)值模擬焊接的規(guī)律。
【學位單位】：長春工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TG453.9
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 引言
    1.2 慣性摩擦焊簡介
    1.3 慣性摩擦焊基本原理
    1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.4.1 國外研究現(xiàn)狀
        1.4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
    1.5 論文主要研究內(nèi)容
第2章 慣性摩擦焊數(shù)值模擬基本理論
    2.1 彈塑性理論
        2.1.1 彈塑性基本應(yīng)變趨勢
        2.1.2 彈性力學基礎(chǔ)
        2.1.3 塑性力學基礎(chǔ)
    2.2 變分原理基礎(chǔ)
    2.3 本章小結(jié)
第3章 數(shù)值模型的建立及分析
    3.1 幾何模型的建立
    3.2 工藝參數(shù)及材料屬性
        3.2.1 摩擦行為的描述以及摩擦扭矩、角速度的確定
        3.2.2 熱力耦合分析
        3.2.3 傳熱學分析
        3.2.4 邊界條件
    3.3 模擬結(jié)果及分析
        3.3.1 焊接過程及溫度場分析
        3.3.2 軸向縮短量與應(yīng)力場分析
    3.4 試驗驗證
    3.5 本章小結(jié)
第4章 慣性摩擦焊焊接參數(shù)的影響
    4.1 理想焊接條件
    4.2 轉(zhuǎn)速對慣性摩擦焊的影響
    4.3 頂鍛壓力對慣性摩擦焊的影響
    4.4 轉(zhuǎn)動慣量對慣性摩擦焊的影響
    4.5 焊件尺寸對慣性摩擦焊的影響
    4.6 正交試驗
    4.7 本章小結(jié)
第5章 TC4鈦合金慣性摩擦焊試驗
    5.1 試驗方案
    5.2 試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比
    5.3 本章小結(jié)
第6章 總結(jié)與展望
    6.1 全文總結(jié)
    6.2 研究展望
致謝
參考文獻
作者簡介
攻讀學位期間研究成果

【參考文獻】

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本文編號：2890122