目录
摘 4
ABSTRACT 5
第章 绪 6
11 引言 6
12 线性摩擦焊接介绍 7
121 线性摩擦焊焊接原理 7
122 线性摩擦焊接优点特色 9
123 线性摩擦焊接研究发展实际应 9
13 现阶段线性摩擦焊接工艺研究 10
14 现阶段线性摩擦焊接工艺数值模拟研究 11
15 选题背景意义 12
16 课题研究容 13
第二章 限元数值模拟概述 14
21 引言 14
22 限元方法 14
23 限元热力耦合线性摩擦焊中计算思想 15
第三章 锻铝合金6061（AlMgsi合金）性分析 16
31 6061锻铝合金基信息 16
311 6061锻铝合金发展 16
第四章 建立线性摩擦焊接限元模型 17
41 引言 17
42 COMSOL Multiphysics55限元分析软件 17
43 线性摩擦焊接限元模型COMSOL建立 18
431 仿真物理程中条件简化 18
432 数学建模 19
433 网格模型建立 20
434 定义工件材料基属性 24
435 材料构数 25
436 材料参数COMSOL中设定 26
437COMSOL设定种约束 29
438 COMSOL中求解原理 33
第五章 探究6061锻铝合金线性摩擦焊接热力学程 34
51 引言 34
52 温度场结果 34
521 摩擦界面温度场分析 34
522 工件部摩擦界面温度场演变规律 37
53 飞边形成分析 38
54 应力场结果 41
541 部工件应力分析 41
542 二维模型中摩擦界面两点应力变化 41
543 二维模型中摩擦界面点载荷情况应力变化 43
544 两工件部应力分析 44
55振动频率工件焊接影响 45
第六章 总结展 47
致谢 49
参考文献 50
附录 52
摘
文运COMSOL Multiphysics 55限元仿真软件拟针锻铝合金材料（6061）线性摩擦焊接程中进行温度场应力场限元仿真分析查阅调焊接材料6061铝合金性参数（弹性模量剪切模量密度熔点等）焊接试验中规范参数（压应力振幅频率）线性摩擦焊接程焊接参数进行数值模拟探究温度场应变场分析温度应力分布变化规律目标确立锻铝合金高温构模型完成线性摩擦焊接程中焊接工艺分析建立数学模型建立工件模型划分工件体网格确定边界条件确定材料参数模型完成输入优化工艺拟COMSOL软件进行线性摩擦焊程仿真分析出6061铝合金线性摩擦焊接程中温度场应力场应变飞边产生出关摩擦界面温度接触压力运动频率关系
关键词：线性摩擦焊6061锻铝合金限元分析温度场应力场
ABSTRACT
In this paper the finite element simulation software COMSOL Multiphysics 55 is used to analyze the temperature field and stress field of wrought aluminum alloy material (6061) in the process of linear friction welding Refer to invoke the performance parameters of 6061 aluminum alloy welding materials (elastic modulus shear modulus density melting point etc) and welding specification parameters of the test (compressive stress amplitude and frequency) of linear friction welding parameters for numerical simulation of welding process to explore the analysis of temperature field strain field temperature and stress distribution and the change rule The objective is to establish the high temperature constitutive model of the malleable aluminum alloy to complete the welding process analysis in the linear friction welding process to establish the mathematical model to establish the geometric model of the workpiece to divide the workpiece body grid to determine the boundary conditions to determine the material parameter model to complete the input and to optimize the process The process of linear friction welding is simulated on COMSOL software Finally the temperature field stress field strain and flash of 6061 aluminum alloy in the process of linear friction welding are analyzed The relationship between the temperature of the friction interface and the contact pressure and the motion frequency is also obtained
Keywords linear friction welding 6061 malleable aluminum alloy Finite element analysis Temperature field The stress field
第章 绪
11 引言
线性摩擦焊接（Linear friction welding）种较新型固相焊接技术利焊接工件接触面接触压力作进行相复运动相复运动发生摩擦产生热量实现焊接固态连接方法1概念早德国Ritcher1929年提出早20世纪60年代英国Jack Searle已提出非圆柱体工件摩擦焊原理构想直30年出现第台线性摩擦焊机项技术塑料焊接中早应2着现代工业焊接技术断发展应领域逐渐扩展合金焊接铝钛镍等甚异种合金焊接中慢慢开始工业制造业认直90年代线性摩擦焊航空发动机整体叶盘制造维修领域中发挥显著作推动航空航天产业高速发展
铝合金拥优异物理特性力学性密度低强度高热导率高电导率高耐腐蚀力强等已开始广泛应机械行业电力行业化工行业航空行业航天行业等工业焊接结构产品摩擦焊技术量应飞机制造轮船制造中3
着行业限元仿真技术断运限元仿真技术已十分成熟许科研工作者研究员量实验数高性理研究基础开发出许功强限元分析软件市面更加运仿真软件开发运免真实试验高成高耗时高污染研究周期长等科研问题分析研究中理利器
探究合金应力场温度场应变焊接中运动参数工件影响等等方面仿真软件进行数值模拟运动模拟出视化试验数帮助观测合金运动参数种工作环境中表现利进行针性研究优化焊接中项指标
12 线性摩擦焊接介绍
121 线性摩擦焊焊接原理
线性摩擦焊接种传统摩擦焊接方式固相焊接技术（原理图11）两焊接工件分固定运动机构固定夹具中两焊接工件焊接界面间紧密接触运动机构驱动运动工件指定频率振幅做线性复运动端运动工件施加轴压力部工件固定夹具体中两焊接工件间存着相复运动产生摩擦两焊工件接触面摩擦力作产生量接触热接触界面温度短时间急速升工件剪切力作摩擦界面高温塑性金属挤压侧边挤压飞出形成飞边工件轴距离开始明显缩短两工件接触面处形变温度明显变化时逐渐降低运动速度结束运动两工件中施加定压力工件轴距离急剧缩短整焊接程中焊接金属发生动态结晶轴压力作金属层断挤压形成十分紧密焊接层
图11 线性摩擦焊接原理图
根量实验测试数线性摩擦焊接程分四阶段46（图二）
1 初始阶段：两紧密接触焊接工件开始相复运动工件接触界面会微凸起摩擦首先会产生凸起方界面会产生剪切粘结作着运动进行断产生热量接触界面面积着增加阶段工件轴距离没明显变化
2 渡阶段：着移运动进行工件接触界面温度断升接触区域材料发生软化现象伴软化开始接触界面层高温粘塑性金属慢慢覆盖产热机制初干摩擦产热逐渐转变粘塑性金属层面塑性变形产热两工件间接触面积变100阶段工件轴距离开始缩短
3 稳定阶段：阶段工件接触面热量界面间粘着摩擦塑性金属剪切变形提供 产热量趋稳定热量接触界面开始工件部传导焊接界面两侧金属温度断升高开始塑性流动轴压力作高温塑性金属挤压侧边挤压飞出形成飞边阶段工件轴距离开始明显缩短
4 减速阶段：接触界面温度变形达需数值时开始降低运动速度停止相运动两工件迅速齐阶段工件轴距离开始急剧缩短轴压力作金属层断挤压形成十分紧密焊接层两侧工件实现连接
线性摩擦焊接述四阶段次发生阶段阶段进行起着十分重作阶段焊接进行充分会阶段焊接良基础阶段进行充分两工件焊接紧密牢固
图12 线性摩擦焊接四阶段示意图
122 线性摩擦焊接优点特色
线性摩擦焊接熔焊类型摩擦焊接方法相较具优点7
（1）线性摩擦焊接范围更拥更加工形状基线性摩擦焊焊接方式配合专夹具破旋转摩擦焊局限性完成种样形状焊接甚规焊件曲面复杂横截面塑料焊件实现
（2）线性摩擦焊接头质量高
1）焊接程中材料通常熔化属固相焊焊接接头质量高缺陷少传统冶金中受种环境素影响会出现焊接缺陷焊接脆化现象偏析夹杂气孔裂纹缺陷等线性摩擦焊接出现率会幅减少
2）摩擦焊接中焊接时间短温度升快金属粗化少晶粒细两工件间存轴压力接触界面工件部区域会产生力学冶金效应工件部晶粒细化焊接面组织致密等焊接头性优异
3）种焊接方式智化程度高焊接设备动控制焊接程程中性低失误率较低焊接效率高焊接程中需控制参数运动参数选择运动参数更样化利实现焊接程动化提高焊接速度
4）尘粒烟雾辐射等污染焊接程绿色环保焊接速度快耗较低较清洁
123 线性摩擦焊接研究发展实际应
20世纪摩擦焊接技术高速发展中搅拌摩擦焊接旋转摩擦焊接两项焊接技术广泛应航天航空领域两种焊接技术受限圆柱形工件焊接界面局限性线性摩擦焊接技术旋转摩擦焊基础发展英国80年代完成第次线性摩擦焊试验实验材料开始塑性材料慢慢演变金属材料焊接焊接界面简单结构种样复杂结构
国外情况VairisFrost进行着线性摩擦焊研究工作46完成许关线性摩擦焊接开创性工作进行关线性摩擦焊机理种影响素研究线性摩擦焊接进行限元模拟仿真分析外WanjaraKaradge进行关Ti6Al4V线性摩擦焊相关研究进步分析接头组织结构性质量影响素
国情况 线性摩擦焊研究工作集中西北工业学李文亚等研究淬火 45 钢线性摩擦焊刘佳涛许全周等分研究Ti6Al4V 淬火状态 45 钢线性摩擦焊接头组织特点许学者研究限元仿真中热力耦合限元方法
应领域方面线性摩擦焊飞机整体叶盘制造充分应整体叶盘设计成轮盘叶片体化样没榫头榫槽意味着飞机重量程度减轻疑提高飞机性指标益航空事业发展总说线性摩擦焊接设备造价较高应领域航空发动机整体叶盘制造维修中少见领域应促进线性摩擦焊接技术发展重条件研发低成济型线性摩擦焊接设备着国际航空航天技术激烈竞争发展国想提高国际竞争力定程度线性摩擦焊接项技术会越越重视应反说线性摩擦焊接技术发展会促进国航空航天事业发展未必定光明
13 现阶段线性摩擦焊接工艺研究
现阶段展开线性摩擦焊接工艺研究结果两工件间相运动高频振动参数复运动运动频率f振幅A施加工件轴压力F等参数线性摩擦焊接程中两工件接触面热量输入起决定性作轴压力压力持续时间证实会影响工件轴缩短量研究指出果想焊接性更工件离开高频振动参数f焊接时间t综合调配
李文亚等指出焊接程中两工件相运动提供摩擦时间3秒形成两工件间良连接基础Vairis等指出定振幅果运动频率足够高轴压力较运动摩擦产生热量足够完成整焊接程Wan等指出f50hzA2mm摩擦压力P50MPa焊接形成工件性超越母材Vairis 等发现控制振幅A变焊接程中挤压产生飞边频率f关发现增摩擦压力会减少飞边[8]
14 现阶段线性摩擦焊接工艺数值模拟研究
相较进行耗时耗力真实试验测试运数值模拟进行真实试验测试需试验结果许分析领域中进行数值模拟已少部分
限元软件建模部分VairisFrost46首先利Elfen专限元软件完成Ti64金属线性摩擦焊接建模焊接进行简化焊接中两工件简化变形体刚体间库伦摩擦温度预测结果发现实验结果二致9
Ji等研究焊接程中两工件金属流变行Deform3D软件建立Ti64金属仿真模型通研究发现处摩擦阶段时果增加两工件相摩擦时间工件部金属流动速率会越越快增加轴压力时会产生相反结果外发现果提高工件轴缩短量会清理掉接触面间氧化物Buffa[10]利显式拉格朗日算法deform 3D焊接程进行计算发现方法预测两工件焊接处质量
Ya等基ABAQUS限元软件计算镍基合金线性摩擦焊接程计算焊接程中von Mises等效应力应变发现焊接程中第阶段工件轴距离没明显变化进入第三阶段时两工件接触面开始挤压产生飞边工件轴距离会明显缩短焊接界面温度场明显变化
Ni等运ANSYS软件建立模型模拟Ti64线性摩擦焊接程仅焊接程中运动参数温度场影响证明模拟实验数真实试验数保持致SMiller[11]等ANSYS建立热力耦合三维模型发现工件会样温度场分布焊接程中两工件接触界面产生高温度温度会快速升高工件会熔化证明焊接程固相焊接
杜更[12]等采热力耦合限元方法建立线性摩擦焊接程中三维弹塑性限元计算模型出焊接程中温度场应力场变化规律
现许分析研究理数值模拟方法线性摩擦焊接技术起步较晚仿真研究数量焊接程中材料特殊性质难整摩擦程进行模拟挤压形成飞边形状焊接界面温度否达熔点方面直持争缺少相关方面研究线性摩擦焊接数值模拟问题意义
15 选题背景意义
航天航空领域中线性摩擦焊接技术发展关键说明项技术巨潜力线性摩擦焊接技术十年发展应方面飞机整体叶盘制造着国家航天航空领域发展追求线性摩擦焊发展势必会巨提升种前新兴技术发展势必会提升国家综合实力
限元数值分析工艺试验需消耗量财力力物力时间设备求高没高研究成甚学生进行较低水限元分析种技术运提供种试验分析方法设备材料法进行研究群提供种研究方法种方法诞生益种仿真软件断发明应益工业发展真实试验效数离开研究员努力坚持限元仿真研究试验视化研究方面着容觑实力忽视便利数值模拟研究止步前继续发展项技术
16 课题研究容
目标：线性摩擦焊接程中锻铝合金（6061）材料工件焊接进行仿真分析目标确定锻铝合金高温构关系边界条件完成线性摩擦焊接工艺分析计算焊接程场量分布建立模型确立边界条件确定材料模型完成输入分析锻铝合金（6061）性运COMSOL软件仿真铝合金线性摩擦焊接程
研究容：锻铝合金（6061）进行线性摩擦焊接仿真模拟包括数学建模工件建模确定边界条件运高温构模型研究焊接程中温度场应力场应变场研究飞边形成运动参数场量影响
拟解决关键问题：
1线性摩擦焊接程中参数确立
2基线性摩擦焊接工件材料参数建立数值计算模型
3分析线性摩擦焊接程中温度场应力场变化飞边形成
4研究运动参数线性摩擦焊接质量影响
第二章 限元数值模拟概述
21 引言
课题通限元仿真模拟线性摩擦焊接程出结果进行分析解限元数值模拟切工作展开前提面研究基础面限元仿真进行说明
22 限元方法
限元分析（FEAFinite Element Analysis）需研究物理场进行数学建模分析模拟需研究象真实情况种分析方法研究象进行细化需研究象拆分成单元产生单元独立连续相互作需模拟物理情况函数进行定义匹配单元中需分析象变成连续单元集样分析象形状受限制单元供选择粗化常规细化等单元形状设置成许种三角形四边形等等函数定义划分单元属性函数者微分系数表示单元数值样单元求似解然推导求解计算出整域进步获整计算区域似解11目实际问题简单化增加划分单元数目单元度提高插函数精度时确定单元收敛条件获似解准确解
限元分析基步骤通常三步：
前处理：（1）根面实际问题确定模型参数物理性质
（2）确定单元类型
（3）确定材料属性
（4）定义模型边界条件
（5）设定边界条件载荷
求解集总：单元组装成离散域总矩阵方程求似解
处理：求出解根准进行分析
三步中重第步前处理前处理需考虑仿真物理模型确定需建立分析模型包括建立体选择单元类型确定材料属性定义边界条件选择载荷
23 限元热力耦合线性摩擦焊中计算思想
模拟仿真线性摩擦焊接中两工件接触界面承受着轴压力切应力作接触界面产生摩擦热工件温度断升会材料热物理性质发生变化整焊接程中具高度非线性特点采弹塑性热力耦合模型通设定轴压力F振幅A频率f模拟线性摩擦焊接中焊接界面温度场变化应力变化等
线性摩擦焊接整体热力耦合中概述：两工件间发生相运动产生摩擦提供温度场工件温度变化影响材料物理参数接触界面部分热应力应变场发生改变该界面进行变形规划单元格发生体积面积变化种变化改变接触界面热量原温度场形成新温度场
简单说1已知初始温度场工件间发生运动根材料温度变化参数计算应力应变计算出单元网格变化2计算网格变化材料参数变化产生新温度场迭代温度场3新温度场进行述步骤断重复计算直温度场收敛出数
第三章 锻铝合金6061（AlMgsi合金）性分析
31 6061锻铝合金基信息
6061镁硅元素锻铝合金中国该金属牌号6061（LD30) GBT 31902008美国牌号6061A96061 AAUNS6061锻铝具中等强度拥良抗腐蚀性焊接性氧化效果较韧性高加工变形材料致密缺陷易抛光加工性极佳述特性该种合金广泛应求定强度抗腐蚀性高种工业结构件中制造卡车塔式建筑船舶电车铁道车辆家具航空航天领域等
311 6061锻铝合金发展
6061锻铝合金航天航空建筑兵器常金属述种特性6061锻铝合金着年科学技术工业济飞速发展行业6061铝合金焊接结构件需求日益增推动6061铝合金焊接性研究6061铝合金广泛应促进铝合金焊接技术发展时焊接技术发展拓展6061铝合金应领域世纪开始广泛应航空制造业直现需求量旧增减众周知航空制造业材料性求较高侧面印证6061铝合金种优异特性
第四章 建立线性摩擦焊接限元模型
41 引言
次选题会6061铝合金线性摩擦焊接建立二维三维热力耦合模型工件尺寸材料参数相二维模型会计算方便二维模型网格分布更加精细计算结果更加准确三维模型会更直观更立体建立二维模型三维模型次课题运COMSOL Multiphysics 55台进行模型建立通查阅资料知官方Comsol台仅搅拌摩擦焊接模型建立未进行线性摩擦焊接程仿真章会软件中建立关线性摩擦焊接二维三维限元分析模型进行仿真考虑焊接程中高度非线性热力耦合模型综合复杂性线性摩擦焊整体程仿真实现性高简单模型开始入手耦合物理场仿真Comsol具仿真软件没独特优势年国外款软件十分重视外媒甚评价具发展潜力选定Comsol55软件进行线性摩擦焊接仿真模拟章会详细介绍Comsol55台方法建模方面容进行介绍关键性技术操作进行说明研究续分析工作目建立效仿真出线性摩擦焊接程计算高效模型
42 COMSOL Multiphysics55限元分析软件
COMSOL Multiphysis款瑞典COMSOL公司开发型限元仿真软件源起初MATLAB软件插件断发展广泛应领域仿真研究中评第款够真正进行意物理场耦合仿真分析软件独特优势高效率计算力杰出物理场耦合模型分析力实现部分物理场数值仿真广泛应全球种样数值仿真领域
43 线性摩擦焊接限元模型COMSOL建立
431 仿真物理程中条件简化
线性摩擦焊接高度非线性热力耦合物理场整仿真程中许参数需考虑两工件接触界面表面摩擦系数开始焊接时温度接触界面受力分析工件材料种性质工件相运动方式焊接面粗糙程度考虑否周围环境产生热流现象等整线性摩擦焊接程中接触界面摩擦方式唯文说焊接程中初始阶段摩擦库伦摩擦着焊接进行渡阶段摩擦混合库伦摩擦剪切摩擦伴着摩擦界面产热量提升整体工件温度升伴材料发生塑性变形产生变形抗力逐渐减少程
考虑焊接程复杂性提高数值计算合理性避免焊接程中必影响网格畸变导致结果法收敛情况牺牲部分精度进行线性摩擦焊接程中合理条件简化
（1）渡阶段程中摩擦混合库伦摩擦剪切摩擦方便计算整运动程中摩擦系数均取常数
（2）线性摩擦焊接程中热量源相运动产生摩擦热关键产热素接触压力F频率f振幅A等参数考虑变化设常数次考虑工件外界空气进行热流现象
（3）两焊工件塑性材料
（4）两焊工件种材料材料系数参数致导热率50
进行限元分析第步骤设定模型参数种模型需模型维度合理建立模型提高限元仿真性基础
432 数学建模
数学建模理数学知识实际需分析问题相结合建立符合需求模型数学模型满足需模型条件数学表达式算法根分析目标解决实际问题进行分析简化提炼实际问题转化数学模型基础相似数学问题基础利数学概念方法理演绎推理需解决问题进行定量定性分析解决需计算现实问题[22]
（1）传热模块
傅里叶传热基方程qkT三维热传导方程表示：
（41）
二维热传导方程表示：
（42）
中k传导系数ρ密度Cp热容q部热源
（43）
图49 COMSOL中热传导模型
（2）焊接程中热源场计算
焊接工件速度表示：
（44）
中a振幅w振荡角速度t运动时间
摩擦界面剪应力：
（45）
中μ摩擦系数摩擦压力
摩擦界面单位面积单位时间产生热量q：
（46）
（47）
均热效率：
（48）
433 网格模型建立
图410 三维模型网格分布图
图411 二维模型网格分布图
COMSOL55仿真软件中建立线性摩擦焊接模型首先创建两尺寸数相等长方体建立两长宽高分30mm20mm30mm长方体图410图411示考虑仿真出摩擦动作效果进行应力温度场计算两长方体形成联合体续仿真中加入需设定边界条件参数模拟线性摩擦焊接程中两焊接工件复运动模型
comsol软件中常规网格三角形网格四边形网格三角形网格较常种网格分布整工件体四边形网格相种网格计算会出现收敛现象三角形网格适结构较复杂体鉴次模拟线性摩擦焊接程工件长方体种较简单体模型四边形网格两工件振动模型设定塑性体变形问题热传导需合理分配网格分布简化模型减少计算量提高精度增加需分析界面网格细化程度摩擦界面部分网格细化提高计算精度远离摩擦界面网格需进行太细化样计算更加精确模型更收敛减少计算时间面会举例出网格建立需注意点：
（1）网格创作界面选择物理场控制网格户控制网格：
图412 网格属性图
点击模型数开发器网格弹出属性项目选择物理场控制网格户控制网格次户控制网格
图413 设置网格单元
点击 选项栏设置网格中含9尺寸果想更加细化网格设置网格次选择网格常规
（2）线性摩擦焊网格设定：
图414 树状图
图415 长方体网格分部边界选择
图416 分布设定
图417 部网格反选取
规划体网格分布首先需体选定形成网格边界网格类型附属设定里右键映射选定分布选取部工件四边边界图415示次指定单元数单元想细化网格单位图416示设定单元数20单元2样越摩擦接触面网格越密集需分析摩擦面附网格细化越远离摩擦面网格越粗化减少计算量提高计算精度
部工件选取致需注意部工件网格选取反接触面网格细化图417示
图418 扫掠设定
二维建模需扫掠三维建模需进行扫掠完成网格划分右键网格点击扫掠实体层选整体
图419扫掠基原理
该功会边界面分割网格会界面路线网格扫掠面动设置户行定义
（a）三维 （b）二维
图420 建立模型网格统计信息
三维模型创建网格数4000二维模型创建网格数800
434 定义工件材料基属性
线性摩擦焊接程中温度会断变化选取材料非线性材料COMSOL带定数量材料库户定义材料comsol55版中材料库部分数未出里选择户定义材料材料基参数：
表41 6061铝合金基物理参数
查阅6061锻铝合金材料相关资料采COMSOL材料库数出数6061锻铝合金熔化温度580~650℃焊接中属较低熔点里考虑杨氏模量导热系数热容曲线着温度提升变化全部取常温状态数值
435 材料构数
定义材料参数时需确立硬化函数材料初始屈服应力两项参数需材料构模型中定义需选取合适材料构模型提高终结果准确性
仿真程中两工件接触界面会发生粘塑性变形工件焊接程中受应力应变效应变速率摩擦界面温度关次仿真程中粘塑性构模型通选择JohnsonCook高温构模型表达式[15]：
（49）
—Von mises范氏等效应力
—效塑性应变
—效塑性应变速率
—相温度
表42 6061锻铝合金JohnsonCook构模型参数
A材料屈服强度
B材料应变硬化系数
C材料应变敏感系数
m温度软化系数
n加工硬化系数
材料熔点
常温
372MPa
24921MPa
001068
033
06435
853K
29515K
436 材料参数COMSOL中设定
软件中材料屈服判断三种类型von Mises应力Tresca应力Hill正交异性塑性选择采von Mises应力屈服准判断工件否发生塑性变形定义初始屈服应力：
图51 COMSOL中塑性模型设置
焊接程中材料屈服应力会工件温度变化产生改变会应变速率变量改变屈服函数定义两种方法：
（1）定义解析函数已6061铝合金构方程johnsoncook模型：
（410）
式中ε008s1Tr＝20℃
变量应变应变速率温度COMSOL设定图：
图52 COMSOL中构解析函数设定
（a）300℃时材料应力应变图
（b）400℃时材料应力应变图
（c）500℃时材料应力应变图
图53 构函数图
观察图出300℃时应力达540MPa着温度升应力减360MPa160MPa出材料着温度升高应力逐渐降低
定义函数方法外comsol软件导入数
437COMSOL设定种约束
（1）工件运动模型设定：
材料基础参数外模型参数力学参数
图54 全局参数中需参数
节容中介绍COMSOL中解析函数约束条件中设置工件运动函数线性摩擦焊接运动路径高频率复运动运动模型设定正弦函数A表示振幅f表示振动频率
定义模块中设置解析函数输入需正弦函数表达式假定该运动模型中振幅A2mm频率f25hz运动模型表达
S0002sin(225t) （411）
COMSOL图：
图55 设定位移正弦函数
图56 振动位移函数图
样果想速度函数进行定义刚刚设立运动函数S（t）进行时间求导需速度函数设置图：
（a）设置函数
（b）函数图
图57 设置速度函数图
（2）边界约束设定：
根文中线性摩擦焊接运动载荷设定部工件固定约束
部分工件固体力学模块创建边界载荷选定界面进行边界载荷定义：
（a）设置边界载荷
（b）选取界面
图58 部工件施加边界载荷轴压力
部分工件需固体力学模块创建固定约束固定部分工件：
（a）设置固定约束界面
（b）选取界面
图59设定部分工件固定约束
接触压力设定：
接触压力似取作工件轴压力：40MPa50MPa60MPa
438 COMSOL中求解原理
线性摩擦焊高度非线性热力耦合问题COMSOL中物理场分析问题求解程做分离求解法原理单物理场中求解结果求出结果发送物理场中物理场迭代处理直结果收敛图：
图510 分离式求解法程
求解非线性物理场耦合问题中步骤般4步：
（1）先简单线性物理场问题中发出
（2）逐渐引入非线性物理场材料应力温度变化等
（3）划分网格细化
（4）然增加物理场时进行次计算物理场间耦合加
第五章 探究6061锻铝合金线性摩擦焊接热力学程
51 引言
探究线性摩擦焊接程中工件温度场应力场应变场变化摩擦焊接仿真程研究方程中焊接热力学行进行分析利研究提高两工件焊接面质量里结合相关摩擦焊接实验结果报告分析前文建立限元仿真模型研究线性摩擦焊接程中两工件温度场应力场分布特征
52 温度场结果
521 摩擦界面温度场分析
限元仿真时间设定45s接触压力40MPa50MPa60MPa振幅2mm频率25Hz观察种接触压力情况两工件摩擦接触面温度情况分析
COMSOL模拟结果图511512示064秒228秒时接触压力40MPa50MPa60Mpa两工件温度分布：
（a）40MPa时工件温度 （b）50MPa时工件温度
（c）60MPa时工件温度
图511 068s时两工件温度分布
（a）40MPa时工件温度
（b）50MPa时工件温度
（c）60MPa时工件温度
图512 228s时两工件温度分布
图513 50MPa载荷48s时工件Z轴方温度曲线图
图514 接触压力摩擦界面温度时间图
面图知道线性摩擦焊接程中两工件接触面摩擦产生热量温度升开始远离摩擦面部分工件传热程中两工件接触面温度始终高相焊接时间果提供接触压力越焊接面升温度越高相接触压力果两工件相摩擦时间越久两工件接触面产生热量越温度会持续升60MPa接触压力时两工件相摩擦228秒时接触面温度已超580℃样工件发生熔化现象非接触压力越越文提线性摩擦焊接中工件开始熔化时挤压形成飞边开始减速阶段果昧接触压力会两工件熔化部分增造成材料浪费甚会焊接失败
522 工件部摩擦界面温度场演变规律
（a）未摩擦时工件部等温面 （b）06S时两工件部等温面
（c）20s时两工件部等温面 （d）36S时两工件部等温面
（e）时刻两工件部等温面分布
图515 两工件时间工件部等温线分布
图中出6061铝合金线性摩擦焊接程中热量源摩擦面摩擦产热着摩擦面温度断升高工件部会进行热传导原理摩擦面工件温度逐渐升两工件项参数相两工件部等温面分布成称状工件部升温速度较快证明铝合金导热性较工件整体温度提升快导致整体工件会发生塑性变形
53 飞边形成分析
40MPa50MPa60MPa情况模型应变效果太明显接触压力载荷加70MPa更仿真效果
图516 36s时工件变形温度
时工件受压力材料热膨胀会鼓出效果摩擦界面已达6061铝合金熔点没产生飞边
图51738s时工件变形温度
时工件受压力材料热膨胀会鼓出效果摩擦界面已达6061铝合金熔点没产生飞边
图51841S时工件变形温度
41S时摩擦界面温度已超工件熔化温度时已开始产生飞边工件飞边形状基形成材料轴距离已缩短
图51942S时工件变形温度
42S时出工件轴距离明显缩短摩擦界面温度稳增长飞边形状终形成线性摩擦焊接已达文述稳态阶段达阶段应该停止工件相运动停止工件间相互摩擦工件进行中处理挤压两工件两工件焊接面紧密结合时线性摩擦焊接全部工序完成
(a)41S时工件轴缩短 (b)42S时工件轴缩短
图52070MPa情况工件轴缩短量摩擦界面温度
图520中出41s42s中工件摩擦界面温度没发生明显变化工件轴产生明显缩短现象轴缩短距离约34mm出摩擦界面高温塑性金属压力作挤压形成飞边工件轴距离伴着飞边形成挤出明显缩短
54 应力场结果
541 部工件应力分析
图521 三维模型应力图
部分工件固定夹具会出现图515示应力集中现象
542 二维模型中摩擦界面两点应力变化
（a）选取摩擦界面两点
（b）两点应力时间变化图
图522 二维模型中两工件摩擦界面两点应力时间变化曲线图
伴着摩擦界面热量断升高两焊接工件体温度断升图522（b）出应力先会处种升趋势达峰值应力曲线逐渐降该程变化符合6061铝合金流变应力构方程
543 二维模型中摩擦界面点载荷情况应力变化
（a）选取摩擦界面点
（b）压力应力时间变化图
图523接触压力应力着时间变化图
出接触压力工件应力变化曲线规律致相图中出摩擦界面效应力开始阶段断增时工件中未发生粘塑性变形摩擦界面剪切应力正应力正断增着时间变化工件受剪切应力开始逐渐降时工件体已发生粘塑性变形应力增长速率会降中间部分应力曲线出现定波动现象两工件处相复运动状态中材料发生粘塑性变形逐渐稳定时材料受应力会相应减少
544 两工件部应力分析
40MPa50MPa60MPa情况模型应变效果太明显接触压力载荷加70MPa更仿真效果
（a）0s时工件部应力 （b）06s时工件部应力
（c）15s时工件部应力 （d）20s时工件部应力
（e）40s时工件部应力
图524两工件部应力着时间变化分布图
初时摩擦未开始时候部分工件夹具应力会较高着接触压力增加部工件应力集中现象越越明显摩擦开始应力会逐渐集中摩擦界面形成高应力区域着断摩擦工件体温度断升高应力区域会逐渐交汇工件中心区域出工件体中心部分应力较摩擦界面该部分材料已发生塑性变形开始软化应力区域应力相较着轴压力作工件轴缩短量增加工件断挤压焊接界面区域应力整工件体部应力处材料发生塑性变形逐渐稳定应力会降材料会形成飞边现象
55振动频率工件焊接影响
图524 70MPa载荷f＝15hz时摩擦界面均温度
图525 70MPa载荷f＝20hz时摩擦界面均温度
图526 70MPa载荷f＝25hz时摩擦界面均温度
述图中出振动频率越高产生热量会越工件温度会较高振动率25Hz时间4S工件摩擦界面温度已达850K达工件熔点选取越频率越需根材料参数选定需频率防止工件熔化
第六章 总结展
限元仿真学特神奇程刚开始窍通面慢慢熟练学会应然目前说心应手高兴学会COMSOL软件应次研究耦合物理场中研究非线性问题中材料JohnsonCook构材料模型仿真程中选取固体力学模块固体传热模块物理场进行热力耦合仿真温度场应力场分析出结：
1 JohnsonCook粘塑性三维构材料模型中着温度升高应力降低着应变速率增应力增
2 线性摩擦焊接程中接触压力越摩擦面产生热量会越温度提升会越高
3 相接触压力着时间摩擦界面温度会越越高直达工件熔点
4 两工件摩擦界面应力会先增减应力高部分集中工件中部
5 相接触压力复运动频率越高焊接界面温度越高
线性摩擦焊程数值模拟第次尝试物理耦合软件COMSOL完成模拟COMSOL软件年发展迅速功断增特物理场耦合设置便利然收敛性体验般特LFW中接触非线性问题定义接触COMSOL求解时间会成倍增长建议考虑接触非线性问题前先完成材料非线性调试材料数准确性定握考虑接触非线性接触收敛结果逐步增加载荷位移等复杂点逐步理想状态日COMSOL进行限元仿真研究员鉴目前关热固耦合案例尚少现阶段COMSOL许培训课建议刚手COMSOL软件员参学
次COMSOL完成线性摩擦焊仿真温度场较模拟接触非线性非线性带型应力没模拟出款软件电脑性求非常高甚时候计算两时结果错误没消积极性
限元仿真断试错步步成功讨总结里讨限研究伙伴网许学限元仿真僚种新求解方法断进行思维碰撞断试错断改进调试收敛解喜悦许做限元分析源动力问题断探索知识断扩充希国日更研究僚线性摩擦焊进行更探索
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目录
摘 4
ABSTRACT 5
第章 绪 6
11 引言 6
12 线性摩擦焊接介绍 7
121 线性摩擦焊焊接原理 7
122 线性摩擦焊接优点特色 9
123 线性摩擦焊接研究发展实际应 9
13 现阶段线性摩擦焊接工艺研究 10
14 现阶段线性摩擦焊接工艺数值模拟研究 11
15 选题背景意义 12
16 课题研究容 13
第二章 限元数值模拟概述 14
21 引言 14
22 限元方法 14
23 限元热力耦合线性摩擦焊中计算思想 15
第三章 锻铝合金6061（AlMgsi合金）性分析 16
31 6061锻铝合金基信息 16
311 6061锻铝合金发展 16
第四章 建立线性摩擦焊接限元模型 17
41 引言 17
42 COMSOL Multiphysics55限元分析软件 17
43 线性摩擦焊接限元模型COMSOL建立 18
431 仿真物理程中条件简化 18
432 数学建模 19
433 网格模型建立 20
434 定义工件材料基属性 24
435 材料构数 25
436 材料参数COMSOL中设定 26
437COMSOL设定种约束 29
438 COMSOL中求解原理 33
第五章 探究6061锻铝合金线性摩擦焊接热力学程 34
51 引言 34
52 温度场结果 34
521 摩擦界面温度场分析 34
522 工件部摩擦界面温度场演变规律 37
53 飞边形成分析 38
54 应力场结果 41
541 部工件应力分析 41
542 二维模型中摩擦界面两点应力变化 41
543 二维模型中摩擦界面点载荷情况应力变化 43
544 两工件部应力分析 44
55振动频率工件焊接影响 45
第六章 总结展 47
致谢 49
参考文献 50
附录 52
摘
文运COMSOL Multiphysics 55限元仿真软件拟针锻铝合金材料（6061）线性摩擦焊接程中进行温度场应力场限元仿真分析查阅调焊接材料6061铝合金性参数（弹性模量剪切模量密度熔点等）焊接试验中规范参数（压应力振幅频率）线性摩擦焊接程焊接参数进行数值模拟探究温度场应变场分析温度应力分布变化规律目标确立锻铝合金高温构模型完成线性摩擦焊接程中焊接工艺分析建立数学模型建立工件模型划分工件体网格确定边界条件确定材料参数模型完成输入优化工艺拟COMSOL软件进行线性摩擦焊程仿真分析出6061铝合金线性摩擦焊接程中温度场应力场应变飞边产生出关摩擦界面温度接触压力运动频率关系
关键词：线性摩擦焊6061锻铝合金限元分析温度场应力场
ABSTRACT
In this paper the finite element simulation software COMSOL Multiphysics 55 is used to analyze the temperature field and stress field of wrought aluminum alloy material (6061) in the process of linear friction welding Refer to invoke the performance parameters of 6061 aluminum alloy welding materials (elastic modulus shear modulus density melting point etc) and welding specification parameters of the test (compressive stress amplitude and frequency) of linear friction welding parameters for numerical simulation of welding process to explore the analysis of temperature field strain field temperature and stress distribution and the change rule The objective is to establish the high temperature constitutive model of the malleable aluminum alloy to complete the welding process analysis in the linear friction welding process to establish the mathematical model to establish the geometric model of the workpiece to divide the workpiece body grid to determine the boundary conditions to determine the material parameter model to complete the input and to optimize the process The process of linear friction welding is simulated on COMSOL software Finally the temperature field stress field strain and flash of 6061 aluminum alloy in the process of linear friction welding are analyzed The relationship between the temperature of the friction interface and the contact pressure and the motion frequency is also obtained
Keywords linear friction welding 6061 malleable aluminum alloy Finite element analysis Temperature field The stress field
第章 绪
11 引言
线性摩擦焊接（Linear friction welding）种较新型固相焊接技术利焊接工件接触面接触压力作进行相复运动相复运动发生摩擦产生热量实现焊接固态连接方法1概念早德国Ritcher1929年提出早20世纪60年代英国Jack Searle已提出非圆柱体工件摩擦焊原理构想直30年出现第台线性摩擦焊机项技术塑料焊接中早应2着现代工业焊接技术断发展应领域逐渐扩展合金焊接铝钛镍等甚异种合金焊接中慢慢开始工业制造业认直90年代线性摩擦焊航空发动机整体叶盘制造维修领域中发挥显著作推动航空航天产业高速发展
铝合金拥优异物理特性力学性密度低强度高热导率高电导率高耐腐蚀力强等已开始广泛应机械行业电力行业化工行业航空行业航天行业等工业焊接结构产品摩擦焊技术量应飞机制造轮船制造中3
着行业限元仿真技术断运限元仿真技术已十分成熟许科研工作者研究员量实验数高性理研究基础开发出许功强限元分析软件市面更加运仿真软件开发运免真实试验高成高耗时高污染研究周期长等科研问题分析研究中理利器
探究合金应力场温度场应变焊接中运动参数工件影响等等方面仿真软件进行数值模拟运动模拟出视化试验数帮助观测合金运动参数种工作环境中表现利进行针性研究优化焊接中项指标
12 线性摩擦焊接介绍
121 线性摩擦焊焊接原理
线性摩擦焊接种传统摩擦焊接方式固相焊接技术（原理图11）两焊接工件分固定运动机构固定夹具中两焊接工件焊接界面间紧密接触运动机构驱动运动工件指定频率振幅做线性复运动端运动工件施加轴压力部工件固定夹具体中两焊接工件间存着相复运动产生摩擦两焊工件接触面摩擦力作产生量接触热接触界面温度短时间急速升工件剪切力作摩擦界面高温塑性金属挤压侧边挤压飞出形成飞边工件轴距离开始明显缩短两工件接触面处形变温度明显变化时逐渐降低运动速度结束运动两工件中施加定压力工件轴距离急剧缩短整焊接程中焊接金属发生动态结晶轴压力作金属层断挤压形成十分紧密焊接层
图11 线性摩擦焊接原理图
根量实验测试数线性摩擦焊接程分四阶段46（图二）
1 初始阶段：两紧密接触焊接工件开始相复运动工件接触界面会微凸起摩擦首先会产生凸起方界面会产生剪切粘结作着运动进行断产生热量接触界面面积着增加阶段工件轴距离没明显变化
2 渡阶段：着移运动进行工件接触界面温度断升接触区域材料发生软化现象伴软化开始接触界面层高温粘塑性金属慢慢覆盖产热机制初干摩擦产热逐渐转变粘塑性金属层面塑性变形产热两工件间接触面积变100阶段工件轴距离开始缩短
3 稳定阶段：阶段工件接触面热量界面间粘着摩擦塑性金属剪切变形提供 产热量趋稳定热量接触界面开始工件部传导焊接界面两侧金属温度断升高开始塑性流动轴压力作高温塑性金属挤压侧边挤压飞出形成飞边阶段工件轴距离开始明显缩短
4 减速阶段：接触界面温度变形达需数值时开始降低运动速度停止相运动两工件迅速齐阶段工件轴距离开始急剧缩短轴压力作金属层断挤压形成十分紧密焊接层两侧工件实现连接
线性摩擦焊接述四阶段次发生阶段阶段进行起着十分重作阶段焊接进行充分会阶段焊接良基础阶段进行充分两工件焊接紧密牢固
图12 线性摩擦焊接四阶段示意图
122 线性摩擦焊接优点特色
线性摩擦焊接熔焊类型摩擦焊接方法相较具优点7
（1）线性摩擦焊接范围更拥更加工形状基线性摩擦焊焊接方式配合专夹具破旋转摩擦焊局限性完成种样形状焊接甚规焊件曲面复杂横截面塑料焊件实现
（2）线性摩擦焊接头质量高
1）焊接程中材料通常熔化属固相焊焊接接头质量高缺陷少传统冶金中受种环境素影响会出现焊接缺陷焊接脆化现象偏析夹杂气孔裂纹缺陷等线性摩擦焊接出现率会幅减少
2）摩擦焊接中焊接时间短温度升快金属粗化少晶粒细两工件间存轴压力接触界面工件部区域会产生力学冶金效应工件部晶粒细化焊接面组织致密等焊接头性优异
3）种焊接方式智化程度高焊接设备动控制焊接程程中性低失误率较低焊接效率高焊接程中需控制参数运动参数选择运动参数更样化利实现焊接程动化提高焊接速度
4）尘粒烟雾辐射等污染焊接程绿色环保焊接速度快耗较低较清洁
123 线性摩擦焊接研究发展实际应
20世纪摩擦焊接技术高速发展中搅拌摩擦焊接旋转摩擦焊接两项焊接技术广泛应航天航空领域两种焊接技术受限圆柱形工件焊接界面局限性线性摩擦焊接技术旋转摩擦焊基础发展英国80年代完成第次线性摩擦焊试验实验材料开始塑性材料慢慢演变金属材料焊接焊接界面简单结构种样复杂结构
国外情况VairisFrost进行着线性摩擦焊研究工作46完成许关线性摩擦焊接开创性工作进行关线性摩擦焊机理种影响素研究线性摩擦焊接进行限元模拟仿真分析外WanjaraKaradge进行关Ti6Al4V线性摩擦焊相关研究进步分析接头组织结构性质量影响素
国情况 线性摩擦焊研究工作集中西北工业学李文亚等研究淬火 45 钢线性摩擦焊刘佳涛许全周等分研究Ti6Al4V 淬火状态 45 钢线性摩擦焊接头组织特点许学者研究限元仿真中热力耦合限元方法
应领域方面线性摩擦焊飞机整体叶盘制造充分应整体叶盘设计成轮盘叶片体化样没榫头榫槽意味着飞机重量程度减轻疑提高飞机性指标益航空事业发展总说线性摩擦焊接设备造价较高应领域航空发动机整体叶盘制造维修中少见领域应促进线性摩擦焊接技术发展重条件研发低成济型线性摩擦焊接设备着国际航空航天技术激烈竞争发展国想提高国际竞争力定程度线性摩擦焊接项技术会越越重视应反说线性摩擦焊接技术发展会促进国航空航天事业发展未必定光明
13 现阶段线性摩擦焊接工艺研究
现阶段展开线性摩擦焊接工艺研究结果两工件间相运动高频振动参数复运动运动频率f振幅A施加工件轴压力F等参数线性摩擦焊接程中两工件接触面热量输入起决定性作轴压力压力持续时间证实会影响工件轴缩短量研究指出果想焊接性更工件离开高频振动参数f焊接时间t综合调配
李文亚等指出焊接程中两工件相运动提供摩擦时间3秒形成两工件间良连接基础Vairis等指出定振幅果运动频率足够高轴压力较运动摩擦产生热量足够完成整焊接程Wan等指出f50hzA2mm摩擦压力P50MPa焊接形成工件性超越母材Vairis 等发现控制振幅A变焊接程中挤压产生飞边频率f关发现增摩擦压力会减少飞边[8]
14 现阶段线性摩擦焊接工艺数值模拟研究
相较进行耗时耗力真实试验测试运数值模拟进行真实试验测试需试验结果许分析领域中进行数值模拟已少部分
限元软件建模部分VairisFrost46首先利Elfen专限元软件完成Ti64金属线性摩擦焊接建模焊接进行简化焊接中两工件简化变形体刚体间库伦摩擦温度预测结果发现实验结果二致9
Ji等研究焊接程中两工件金属流变行Deform3D软件建立Ti64金属仿真模型通研究发现处摩擦阶段时果增加两工件相摩擦时间工件部金属流动速率会越越快增加轴压力时会产生相反结果外发现果提高工件轴缩短量会清理掉接触面间氧化物Buffa[10]利显式拉格朗日算法deform 3D焊接程进行计算发现方法预测两工件焊接处质量
Ya等基ABAQUS限元软件计算镍基合金线性摩擦焊接程计算焊接程中von Mises等效应力应变发现焊接程中第阶段工件轴距离没明显变化进入第三阶段时两工件接触面开始挤压产生飞边工件轴距离会明显缩短焊接界面温度场明显变化
Ni等运ANSYS软件建立模型模拟Ti64线性摩擦焊接程仅焊接程中运动参数温度场影响证明模拟实验数真实试验数保持致SMiller[11]等ANSYS建立热力耦合三维模型发现工件会样温度场分布焊接程中两工件接触界面产生高温度温度会快速升高工件会熔化证明焊接程固相焊接
杜更[12]等采热力耦合限元方法建立线性摩擦焊接程中三维弹塑性限元计算模型出焊接程中温度场应力场变化规律
现许分析研究理数值模拟方法线性摩擦焊接技术起步较晚仿真研究数量焊接程中材料特殊性质难整摩擦程进行模拟挤压形成飞边形状焊接界面温度否达熔点方面直持争缺少相关方面研究线性摩擦焊接数值模拟问题意义
15 选题背景意义
航天航空领域中线性摩擦焊接技术发展关键说明项技术巨潜力线性摩擦焊接技术十年发展应方面飞机整体叶盘制造着国家航天航空领域发展追求线性摩擦焊发展势必会巨提升种前新兴技术发展势必会提升国家综合实力
限元数值分析工艺试验需消耗量财力力物力时间设备求高没高研究成甚学生进行较低水限元分析种技术运提供种试验分析方法设备材料法进行研究群提供种研究方法种方法诞生益种仿真软件断发明应益工业发展真实试验效数离开研究员努力坚持限元仿真研究试验视化研究方面着容觑实力忽视便利数值模拟研究止步前继续发展项技术
16 课题研究容
目标：线性摩擦焊接程中锻铝合金（6061）材料工件焊接进行仿真分析目标确定锻铝合金高温构关系边界条件完成线性摩擦焊接工艺分析计算焊接程场量分布建立模型确立边界条件确定材料模型完成输入分析锻铝合金（6061）性运COMSOL软件仿真铝合金线性摩擦焊接程
研究容：锻铝合金（6061）进行线性摩擦焊接仿真模拟包括数学建模工件建模确定边界条件运高温构模型研究焊接程中温度场应力场应变场研究飞边形成运动参数场量影响
拟解决关键问题：
1线性摩擦焊接程中参数确立
2基线性摩擦焊接工件材料参数建立数值计算模型
3分析线性摩擦焊接程中温度场应力场变化飞边形成
4研究运动参数线性摩擦焊接质量影响
第二章 限元数值模拟概述
21 引言
课题通限元仿真模拟线性摩擦焊接程出结果进行分析解限元数值模拟切工作展开前提面研究基础面限元仿真进行说明
22 限元方法
限元分析（FEAFinite Element Analysis）需研究物理场进行数学建模分析模拟需研究象真实情况种分析方法研究象进行细化需研究象拆分成单元产生单元独立连续相互作需模拟物理情况函数进行定义匹配单元中需分析象变成连续单元集样分析象形状受限制单元供选择粗化常规细化等单元形状设置成许种三角形四边形等等函数定义划分单元属性函数者微分系数表示单元数值样单元求似解然推导求解计算出整域进步获整计算区域似解11目实际问题简单化增加划分单元数目单元度提高插函数精度时确定单元收敛条件获似解准确解
限元分析基步骤通常三步：
前处理：（1）根面实际问题确定模型参数物理性质
（2）确定单元类型
（3）确定材料属性
（4）定义模型边界条件
（5）设定边界条件载荷
求解集总：单元组装成离散域总矩阵方程求似解
处理：求出解根准进行分析
三步中重第步前处理前处理需考虑仿真物理模型确定需建立分析模型包括建立体选择单元类型确定材料属性定义边界条件选择载荷
23 限元热力耦合线性摩擦焊中计算思想
模拟仿真线性摩擦焊接中两工件接触界面承受着轴压力切应力作接触界面产生摩擦热工件温度断升会材料热物理性质发生变化整焊接程中具高度非线性特点采弹塑性热力耦合模型通设定轴压力F振幅A频率f模拟线性摩擦焊接中焊接界面温度场变化应力变化等
线性摩擦焊接整体热力耦合中概述：两工件间发生相运动产生摩擦提供温度场工件温度变化影响材料物理参数接触界面部分热应力应变场发生改变该界面进行变形规划单元格发生体积面积变化种变化改变接触界面热量原温度场形成新温度场
简单说1已知初始温度场工件间发生运动根材料温度变化参数计算应力应变计算出单元网格变化2计算网格变化材料参数变化产生新温度场迭代温度场3新温度场进行述步骤断重复计算直温度场收敛出数
第三章 锻铝合金6061（AlMgsi合金）性分析
31 6061锻铝合金基信息
6061镁硅元素锻铝合金中国该金属牌号6061（LD30) GBT 31902008美国牌号6061A96061 AAUNS6061锻铝具中等强度拥良抗腐蚀性焊接性氧化效果较韧性高加工变形材料致密缺陷易抛光加工性极佳述特性该种合金广泛应求定强度抗腐蚀性高种工业结构件中制造卡车塔式建筑船舶电车铁道车辆家具航空航天领域等
311 6061锻铝合金发展
6061锻铝合金航天航空建筑兵器常金属述种特性6061锻铝合金着年科学技术工业济飞速发展行业6061铝合金焊接结构件需求日益增推动6061铝合金焊接性研究6061铝合金广泛应促进铝合金焊接技术发展时焊接技术发展拓展6061铝合金应领域世纪开始广泛应航空制造业直现需求量旧增减众周知航空制造业材料性求较高侧面印证6061铝合金种优异特性
第四章 建立线性摩擦焊接限元模型
41 引言
次选题会6061铝合金线性摩擦焊接建立二维三维热力耦合模型工件尺寸材料参数相二维模型会计算方便二维模型网格分布更加精细计算结果更加准确三维模型会更直观更立体建立二维模型三维模型次课题运COMSOL Multiphysics 55台进行模型建立通查阅资料知官方Comsol台仅搅拌摩擦焊接模型建立未进行线性摩擦焊接程仿真章会软件中建立关线性摩擦焊接二维三维限元分析模型进行仿真考虑焊接程中高度非线性热力耦合模型综合复杂性线性摩擦焊整体程仿真实现性高简单模型开始入手耦合物理场仿真Comsol具仿真软件没独特优势年国外款软件十分重视外媒甚评价具发展潜力选定Comsol55软件进行线性摩擦焊接仿真模拟章会详细介绍Comsol55台方法建模方面容进行介绍关键性技术操作进行说明研究续分析工作目建立效仿真出线性摩擦焊接程计算高效模型
42 COMSOL Multiphysics55限元分析软件
COMSOL Multiphysis款瑞典COMSOL公司开发型限元仿真软件源起初MATLAB软件插件断发展广泛应领域仿真研究中评第款够真正进行意物理场耦合仿真分析软件独特优势高效率计算力杰出物理场耦合模型分析力实现部分物理场数值仿真广泛应全球种样数值仿真领域
43 线性摩擦焊接限元模型COMSOL建立
431 仿真物理程中条件简化
线性摩擦焊接高度非线性热力耦合物理场整仿真程中许参数需考虑两工件接触界面表面摩擦系数开始焊接时温度接触界面受力分析工件材料种性质工件相运动方式焊接面粗糙程度考虑否周围环境产生热流现象等整线性摩擦焊接程中接触界面摩擦方式唯文说焊接程中初始阶段摩擦库伦摩擦着焊接进行渡阶段摩擦混合库伦摩擦剪切摩擦伴着摩擦界面产热量提升整体工件温度升伴材料发生塑性变形产生变形抗力逐渐减少程
考虑焊接程复杂性提高数值计算合理性避免焊接程中必影响网格畸变导致结果法收敛情况牺牲部分精度进行线性摩擦焊接程中合理条件简化
（1）渡阶段程中摩擦混合库伦摩擦剪切摩擦方便计算整运动程中摩擦系数均取常数
（2）线性摩擦焊接程中热量源相运动产生摩擦热关键产热素接触压力F频率f振幅A等参数考虑变化设常数次考虑工件外界空气进行热流现象
（3）两焊工件塑性材料
（4）两焊工件种材料材料系数参数致导热率50
进行限元分析第步骤设定模型参数种模型需模型维度合理建立模型提高限元仿真性基础
432 数学建模
数学建模理数学知识实际需分析问题相结合建立符合需求模型数学模型满足需模型条件数学表达式算法根分析目标解决实际问题进行分析简化提炼实际问题转化数学模型基础相似数学问题基础利数学概念方法理演绎推理需解决问题进行定量定性分析解决需计算现实问题[22]
（1）传热模块
傅里叶传热基方程qkT三维热传导方程表示：
（41）
二维热传导方程表示：
（42）
中k传导系数ρ密度Cp热容q部热源
（43）
图49 COMSOL中热传导模型
（2）焊接程中热源场计算
焊接工件速度表示：
（44）
中a振幅w振荡角速度t运动时间
摩擦界面剪应力：
（45）
中μ摩擦系数摩擦压力
摩擦界面单位面积单位时间产生热量q：
（46）
（47）
均热效率：
（48）
433 网格模型建立
图410 三维模型网格分布图
图411 二维模型网格分布图
COMSOL55仿真软件中建立线性摩擦焊接模型首先创建两尺寸数相等长方体建立两长宽高分30mm20mm30mm长方体图410图411示考虑仿真出摩擦动作效果进行应力温度场计算两长方体形成联合体续仿真中加入需设定边界条件参数模拟线性摩擦焊接程中两焊接工件复运动模型
comsol软件中常规网格三角形网格四边形网格三角形网格较常种网格分布整工件体四边形网格相种网格计算会出现收敛现象三角形网格适结构较复杂体鉴次模拟线性摩擦焊接程工件长方体种较简单体模型四边形网格两工件振动模型设定塑性体变形问题热传导需合理分配网格分布简化模型减少计算量提高精度增加需分析界面网格细化程度摩擦界面部分网格细化提高计算精度远离摩擦界面网格需进行太细化样计算更加精确模型更收敛减少计算时间面会举例出网格建立需注意点：
（1）网格创作界面选择物理场控制网格户控制网格：
图412 网格属性图
点击模型数开发器网格弹出属性项目选择物理场控制网格户控制网格次户控制网格
图413 设置网格单元
点击 选项栏设置网格中含9尺寸果想更加细化网格设置网格次选择网格常规
（2）线性摩擦焊网格设定：
图414 树状图
图415 长方体网格分部边界选择
图416 分布设定
图417 部网格反选取
规划体网格分布首先需体选定形成网格边界网格类型附属设定里右键映射选定分布选取部工件四边边界图415示次指定单元数单元想细化网格单位图416示设定单元数20单元2样越摩擦接触面网格越密集需分析摩擦面附网格细化越远离摩擦面网格越粗化减少计算量提高计算精度
部工件选取致需注意部工件网格选取反接触面网格细化图417示
图418 扫掠设定
二维建模需扫掠三维建模需进行扫掠完成网格划分右键网格点击扫掠实体层选整体
图419扫掠基原理
该功会边界面分割网格会界面路线网格扫掠面动设置户行定义
（a）三维 （b）二维
图420 建立模型网格统计信息
三维模型创建网格数4000二维模型创建网格数800
434 定义工件材料基属性
线性摩擦焊接程中温度会断变化选取材料非线性材料COMSOL带定数量材料库户定义材料comsol55版中材料库部分数未出里选择户定义材料材料基参数：
表41 6061铝合金基物理参数
查阅6061锻铝合金材料相关资料采COMSOL材料库数出数6061锻铝合金熔化温度580~650℃焊接中属较低熔点里考虑杨氏模量导热系数热容曲线着温度提升变化全部取常温状态数值
435 材料构数
定义材料参数时需确立硬化函数材料初始屈服应力两项参数需材料构模型中定义需选取合适材料构模型提高终结果准确性
仿真程中两工件接触界面会发生粘塑性变形工件焊接程中受应力应变效应变速率摩擦界面温度关次仿真程中粘塑性构模型通选择JohnsonCook高温构模型表达式[15]：
（49）
—Von mises范氏等效应力
—效塑性应变
—效塑性应变速率
—相温度
表42 6061锻铝合金JohnsonCook构模型参数
A材料屈服强度
B材料应变硬化系数
C材料应变敏感系数
m温度软化系数
n加工硬化系数
材料熔点
常温
372MPa
24921MPa
001068
033
06435
853K
29515K
436 材料参数COMSOL中设定
软件中材料屈服判断三种类型von Mises应力Tresca应力Hill正交异性塑性选择采von Mises应力屈服准判断工件否发生塑性变形定义初始屈服应力：
图51 COMSOL中塑性模型设置
焊接程中材料屈服应力会工件温度变化产生改变会应变速率变量改变屈服函数定义两种方法：
（1）定义解析函数已6061铝合金构方程johnsoncook模型：
（410）
式中ε008s1Tr＝20℃
变量应变应变速率温度COMSOL设定图：
图52 COMSOL中构解析函数设定
（a）300℃时材料应力应变图
（b）400℃时材料应力应变图
（c）500℃时材料应力应变图
图53 构函数图
观察图出300℃时应力达540MPa着温度升应力减360MPa160MPa出材料着温度升高应力逐渐降低
定义函数方法外comsol软件导入数
437COMSOL设定种约束
（1）工件运动模型设定：
材料基础参数外模型参数力学参数
图54 全局参数中需参数
节容中介绍COMSOL中解析函数约束条件中设置工件运动函数线性摩擦焊接运动路径高频率复运动运动模型设定正弦函数A表示振幅f表示振动频率
定义模块中设置解析函数输入需正弦函数表达式假定该运动模型中振幅A2mm频率f25hz运动模型表达
S0002sin(225t) （411）
COMSOL图：
图55 设定位移正弦函数
图56 振动位移函数图
样果想速度函数进行定义刚刚设立运动函数S（t）进行时间求导需速度函数设置图：
（a）设置函数
（b）函数图
图57 设置速度函数图
（2）边界约束设定：
根文中线性摩擦焊接运动载荷设定部工件固定约束
部分工件固体力学模块创建边界载荷选定界面进行边界载荷定义：
（a）设置边界载荷
（b）选取界面
图58 部工件施加边界载荷轴压力
部分工件需固体力学模块创建固定约束固定部分工件：
（a）设置固定约束界面
（b）选取界面
图59设定部分工件固定约束
接触压力设定：
接触压力似取作工件轴压力：40MPa50MPa60MPa
438 COMSOL中求解原理
线性摩擦焊高度非线性热力耦合问题COMSOL中物理场分析问题求解程做分离求解法原理单物理场中求解结果求出结果发送物理场中物理场迭代处理直结果收敛图：
图510 分离式求解法程
求解非线性物理场耦合问题中步骤般4步：
（1）先简单线性物理场问题中发出
（2）逐渐引入非线性物理场材料应力温度变化等
（3）划分网格细化
（4）然增加物理场时进行次计算物理场间耦合加
第五章 探究6061锻铝合金线性摩擦焊接热力学程
51 引言
探究线性摩擦焊接程中工件温度场应力场应变场变化摩擦焊接仿真程研究方程中焊接热力学行进行分析利研究提高两工件焊接面质量里结合相关摩擦焊接实验结果报告分析前文建立限元仿真模型研究线性摩擦焊接程中两工件温度场应力场分布特征
52 温度场结果
521 摩擦界面温度场分析
限元仿真时间设定45s接触压力40MPa50MPa60MPa振幅2mm频率25Hz观察种接触压力情况两工件摩擦接触面温度情况分析
COMSOL模拟结果图511512示064秒228秒时接触压力40MPa50MPa60Mpa两工件温度分布：
（a）40MPa时工件温度 （b）50MPa时工件温度
（c）60MPa时工件温度
图511 068s时两工件温度分布
（a）40MPa时工件温度
（b）50MPa时工件温度
（c）60MPa时工件温度
图512 228s时两工件温度分布
图513 50MPa载荷48s时工件Z轴方温度曲线图
图514 接触压力摩擦界面温度时间图
面图知道线性摩擦焊接程中两工件接触面摩擦产生热量温度升开始远离摩擦面部分工件传热程中两工件接触面温度始终高相焊接时间果提供接触压力越焊接面升温度越高相接触压力果两工件相摩擦时间越久两工件接触面产生热量越温度会持续升60MPa接触压力时两工件相摩擦228秒时接触面温度已超580℃样工件发生熔化现象非接触压力越越文提线性摩擦焊接中工件开始熔化时挤压形成飞边开始减速阶段果昧接触压力会两工件熔化部分增造成材料浪费甚会焊接失败
522 工件部摩擦界面温度场演变规律
（a）未摩擦时工件部等温面 （b）06S时两工件部等温面
（c）20s时两工件部等温面 （d）36S时两工件部等温面
（e）时刻两工件部等温面分布
图515 两工件时间工件部等温线分布
图中出6061铝合金线性摩擦焊接程中热量源摩擦面摩擦产热着摩擦面温度断升高工件部会进行热传导原理摩擦面工件温度逐渐升两工件项参数相两工件部等温面分布成称状工件部升温速度较快证明铝合金导热性较工件整体温度提升快导致整体工件会发生塑性变形
53 飞边形成分析
40MPa50MPa60MPa情况模型应变效果太明显接触压力载荷加70MPa更仿真效果
图516 36s时工件变形温度
时工件受压力材料热膨胀会鼓出效果摩擦界面已达6061铝合金熔点没产生飞边
图51738s时工件变形温度
时工件受压力材料热膨胀会鼓出效果摩擦界面已达6061铝合金熔点没产生飞边
图51841S时工件变形温度
41S时摩擦界面温度已超工件熔化温度时已开始产生飞边工件飞边形状基形成材料轴距离已缩短
图51942S时工件变形温度
42S时出工件轴距离明显缩短摩擦界面温度稳增长飞边形状终形成线性摩擦焊接已达文述稳态阶段达阶段应该停止工件相运动停止工件间相互摩擦工件进行中处理挤压两工件两工件焊接面紧密结合时线性摩擦焊接全部工序完成
(a)41S时工件轴缩短 (b)42S时工件轴缩短
图52070MPa情况工件轴缩短量摩擦界面温度
图520中出41s42s中工件摩擦界面温度没发生明显变化工件轴产生明显缩短现象轴缩短距离约34mm出摩擦界面高温塑性金属压力作挤压形成飞边工件轴距离伴着飞边形成挤出明显缩短
54 应力场结果
541 部工件应力分析
图521 三维模型应力图
部分工件固定夹具会出现图515示应力集中现象
542 二维模型中摩擦界面两点应力变化
（a）选取摩擦界面两点
（b）两点应力时间变化图
图522 二维模型中两工件摩擦界面两点应力时间变化曲线图
伴着摩擦界面热量断升高两焊接工件体温度断升图522（b）出应力先会处种升趋势达峰值应力曲线逐渐降该程变化符合6061铝合金流变应力构方程
543 二维模型中摩擦界面点载荷情况应力变化
（a）选取摩擦界面点
（b）压力应力时间变化图
图523接触压力应力着时间变化图
出接触压力工件应力变化曲线规律致相图中出摩擦界面效应力开始阶段断增时工件中未发生粘塑性变形摩擦界面剪切应力正应力正断增着时间变化工件受剪切应力开始逐渐降时工件体已发生粘塑性变形应力增长速率会降中间部分应力曲线出现定波动现象两工件处相复运动状态中材料发生粘塑性变形逐渐稳定时材料受应力会相应减少
544 两工件部应力分析
40MPa50MPa60MPa情况模型应变效果太明显接触压力载荷加70MPa更仿真效果
（a）0s时工件部应力 （b）06s时工件部应力
（c）15s时工件部应力 （d）20s时工件部应力
（e）40s时工件部应力
图524两工件部应力着时间变化分布图
初时摩擦未开始时候部分工件夹具应力会较高着接触压力增加部工件应力集中现象越越明显摩擦开始应力会逐渐集中摩擦界面形成高应力区域着断摩擦工件体温度断升高应力区域会逐渐交汇工件中心区域出工件体中心部分应力较摩擦界面该部分材料已发生塑性变形开始软化应力区域应力相较着轴压力作工件轴缩短量增加工件断挤压焊接界面区域应力整工件体部应力处材料发生塑性变形逐渐稳定应力会降材料会形成飞边现象
55振动频率工件焊接影响
图524 70MPa载荷f＝15hz时摩擦界面均温度
图525 70MPa载荷f＝20hz时摩擦界面均温度
图526 70MPa载荷f＝25hz时摩擦界面均温度
述图中出振动频率越高产生热量会越工件温度会较高振动率25Hz时间4S工件摩擦界面温度已达850K达工件熔点选取越频率越需根材料参数选定需频率防止工件熔化
第六章 总结展
限元仿真学特神奇程刚开始窍通面慢慢熟练学会应然目前说心应手高兴学会COMSOL软件应次研究耦合物理场中研究非线性问题中材料JohnsonCook构材料模型仿真程中选取固体力学模块固体传热模块物理场进行热力耦合仿真温度场应力场分析出结：
1 JohnsonCook粘塑性三维构材料模型中着温度升高应力降低着应变速率增应力增
2 线性摩擦焊接程中接触压力越摩擦面产生热量会越温度提升会越高
3 相接触压力着时间摩擦界面温度会越越高直达工件熔点
4 两工件摩擦界面应力会先增减应力高部分集中工件中部
5 相接触压力复运动频率越高焊接界面温度越高
线性摩擦焊程数值模拟第次尝试物理耦合软件COMSOL完成模拟COMSOL软件年发展迅速功断增特物理场耦合设置便利然收敛性体验般特LFW中接触非线性问题定义接触COMSOL求解时间会成倍增长建议考虑接触非线性问题前先完成材料非线性调试材料数准确性定握考虑接触非线性接触收敛结果逐步增加载荷位移等复杂点逐步理想状态日COMSOL进行限元仿真研究员鉴目前关热固耦合案例尚少现阶段COMSOL许培训课建议刚手COMSOL软件员参学
次COMSOL完成线性摩擦焊仿真温度场较模拟接触非线性非线性带型应力没模拟出款软件电脑性求非常高甚时候计算两时结果错误没消积极性
限元仿真断试错步步成功讨总结里讨限研究伙伴网许学限元仿真僚种新求解方法断进行思维碰撞断试错断改进调试收敛解喜悦许做限元分析源动力问题断探索知识断扩充希国日更研究僚线性摩擦焊进行更探索
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