钢-铝搅拌摩擦焊接头的孔洞参数化建模和仿真.pdf
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1、 研究设计 :收稿日期:;修回日期:第一作者简介:吴海峰(),男,山东济南人,硕士研究生,主要研究方向为钢 铝异种材料的焊接。通信作者:许莎(),女,河南信阳人,博士,讲师,主要研究方向为车身结构数字化仿真及质量控制。:钢 铝搅拌摩擦焊接头的孔洞参数化建模和仿真吴海峰,许莎,杨亚莉(上海工程技术大学 机械与汽车工程学院,上海 )摘要:为探究钢 铝搅拌摩擦焊(,)接头中不同特征的孔洞缺陷对应力分布的具体影响,课题组利用 二次开发程序对孔洞缺陷开展仿真研究。首先,根据钢 铝焊接接头的特点对孔洞和基体进行简化,为量化分析提供基础;然后,编写 二次开发程序对孔洞进行参数化建模,同时建立基体模型,并对孔
2、洞和基体模型进行布尔操作生成接头模型;最后,利用 软件对接头模型进行仿真分析,得到孔洞不同特征变量对钢 铝 接头的影响。结果表明:孔洞的参数化建模可以很好地提高建模效率;空间角度 和 对应力分布的影响较大,而空间角度对应力分布的影响较小;在空间角度相同时,表面孔洞的应力集中系数大于内部孔洞的应力集中系数,表面孔洞的危险程度更大;且应力集中程度最高的位置位于钢 铝交接处。参数化建模和仿真方法为孔洞危险程度的评估提供了一定参考。关键词:搅拌摩擦焊;孔洞缺陷;钢 铝接头;应力集中系数;软件中图分类号:;文献标志码:文章编号:(),(,):(),:();钢和铝合金是机械行业中应用较广泛的材料,钢的强度
3、高且不易变形,而铝合金密度小、比强度大。钢 铝异种金属连接结构可发挥 种材料共同的性能优势,在保证强度的同时降低质量,具有很好的经济效第 卷 第 期 年 月轻工机械 益 。由于钢和铝物理性质的差异,在传统焊接过程中,种材料的连接效果并不好。搅拌摩擦焊(,)作为一种低热的固体焊接方法,可以提高 者的焊接性能 。然而,搅拌摩擦焊过程中不可避免会产生孔洞等缺陷,孔洞往往会对焊接接头产生不利的影响。因此,对钢 铝 接头孔洞的研究很有必要。由于孔洞往往会影响材料的强度,因此不少学者对钢 铝搅拌摩擦焊中的孔洞进行了研究。等 发现在钢 铝搅拌摩擦焊过程中,焊接参数会对孔洞的数量产生影响;李默阳 发现在钢和铝
4、搅拌摩擦焊的过程中会生成孔洞等缺陷,这些缺陷往往位于钢和铝的交接处;等 发现钢 铝搅拌摩擦焊接头中孔洞的外形较扁平,孔洞的长度和宽度均远大于其厚度,并且外形尖锐的孔洞会造成较高的应力集中,降低接头强度。另外,不少研究也发现,在疲劳实验中,孔洞的边缘由于应力集中容易产生裂纹进而降低试件的强度 。以上研究都是利用实验的方法对钢 铝搅拌摩擦焊接头中的孔洞进行研究,然而实验中孔洞的外形、位置分布等特征很难精确控制,不利于量化分析孔洞对钢 铝焊接接头的影响。姜顺超 利用有限元仿真方法将钢 铝焊接接头中的孔洞简化为球体进行量化分析,发现孔洞的大小、空间位置对接头表面应力分布有重要影响;然而在将孔洞简化为球
5、体进行量化研究时,忽略了孔洞外形等因素对应力分布的影响。目前,利用有限元仿真方法分析孔洞对钢 铝焊接接头影响的研究还不多,有待进一步研究。利用仿真分析方法量化研究孔洞的影响需要建立大量的模型,人工建模效率较低,利用三维软件的参数化建模可以提高建模效率 。课题组利用参数化建模方法建立钢 铝 接头不同孔洞特征的模型,并利用仿真分析方法量化分析了孔洞对钢 铝 接头应力分布的影响。钢 铝 接头模型的简化与建立 钢 铝 接头模型的简化对钢 铝搅拌摩擦焊接头中的孔洞缺陷进行研究,发现孔洞容易造成应力集中和引发裂纹 ,进而影响接头的疲劳强度。应力集中是孔洞对应力分布影响的表现,一般使用应力集中系数来表示应力
6、集中程度。孔洞的空间角度会对应力分布产生影响,但是钢 铝搅拌摩擦焊接头中的孔洞是不规则的,很难对空间角度进行量化分析。由于孔洞的长度和宽度均远大于其厚度,因此可以将缺陷简化为椭球体来量化分析孔洞对应力分布的影响 ,如图 所示。图中,和 分别是椭球体长轴、中长轴和短轴的一半。需要说明的是,虽然钢 铝接头中有大量孔洞,但课题组主要量化研究单个孔洞的不同特征对接头应力分布的影响。图 缺陷简化示意图 在钢 铝搅拌摩擦焊接头中,钢和铝交接处的轮廓是不规则的,缺陷往往位于钢和铝的交接处,因此在仿真分析时要考虑钢和铝的力学性能差异。由于缺陷对于整个钢 铝交接轮廓是相对小的,所以在缺陷周围范围内,把钢和铝交接
7、处的轮廓简化为规则的轮廓,如图所示。图 钢 铝 基体简化 钢 铝 接头模型的建立 具有强大仿真计算功能,其中也内置了三维建模模块,但是对于 轴长度不相等的椭球体,不便在 中直接进行三维建模,因此需要利用专业的三维建模软件进行建模。是功能强大的三维建模软件,尤其具有曲面建模功能,因此被广泛应 研究设计吴海峰,等:钢 铝搅拌摩擦焊接头的孔洞参数化建模和仿真用在机械设计等领域。在研究孔洞对钢 铝 接头的影响时需要建立大量的三维模型,人工建模的效率比较低,开发一种参数化建模的方法可以有效地减少建模时间,提高效率。主要有 种二次开发方式:软件内和软件外 。软件内是指利用 语言对宏脚本进行编写,宏脚本和
8、软件在同一个进程地址中;软件外是指编写的程序和 不在同一个进程地址中,例如可以使用 编写程序来对接 ,进而实现二次开发功能。软件内的二次开发程序可以方便地和 进行对接,而软件外的二次开发程序与 对接则较为复杂。课题组选用软件内二次开发程序,基于 语言编写宏脚本来实现参数化建模。在使用软件内二次开发功能时,需要先利用宏录制命令获得人工建模时的宏脚本。图 展示了在 软件中建立一个具有空间角度的椭球体的过程。首先在 软件中绘制草图建立一个基球,然后根据空间角度建立相对坐标系,在相对坐标系中对基球进行仿射变换。由于“仿射”命令生成的是椭球曲面,最后需要使用“封闭曲面”命令将椭球曲面转换成实体。图 椭球
9、体建模过程 在人工建模的过程中,宏脚本中孔洞特征变量的名称都是自动生成的,这样的命名不利于后期脚本的阅读和修改。修改特征变量名称是较麻烦的,因此根据国标规定和日常习惯重新定义了特征变量,用这些重新定义的特征变量代替原来宏脚本中特征变量的数值,这样在参数化建模时仅修改新定义特征变量的值即可。新定义的特征变量的名称和含义见表 。表 特征变量名称与含义 特征变量名称含义椭球体绕 轴转动的角度椭球体绕 轴转动的角度椭球体绕 轴转动的角度基球的半径椭球体长轴的一半与基球半径的比值 椭球体中长轴的一半与基球半径的比值 椭球体短轴的一半与基球半径的比值 为方便修改特征变量的值,在 中建立了用户操作界面。使用
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