钢-铝搅拌摩擦焊接头的孔洞参数化建模和仿真.pdf

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 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。使用用户操作界面可以直观地认识椭球体的形态和特征变量，在用户操作界面上输入相应的特征变量数值便可以进行参数化建模，如图 所示。利用用户操作界面进行建模，节省了手工建模的时间，极大地提高了效率。图 孔洞参数化建模用户操作界面 利用 软件，建立钢和铝的基体模型。为保证孔洞不被基体影响，基体的尺寸相对孔洞要足够大，这样在研究孔洞对钢 铝 接头的影响时，仅需控制孔洞的特征变量即可。将钢和铝的基体模型与孔洞模型进行布尔操作，可以得到含有孔洞的钢 铝 接头模型。轻工机械 年第期 钢 铝 接头模型的仿真分析钢 铝 接头中的孔洞往往呈现形态不一、分布无序的特点，在实验过程中这些特点很难被精准地控制；利用有限元仿真的方法可以精确地控制孔洞的形态和分布。钢 铝 接头中孔洞的长度和宽度往往都远大于其厚度，同时不少研究也发现外形扁平且不规则的孔洞会引起更大的应力集中 。因此，不再对孔洞的外形进行研究。孔洞的位置和空间角度等特征对钢 铝接头的影响是不同的，课题组主要利用有限元仿真分析法研究孔洞位置和空间角度等特征对接头的影响。内部孔洞空间角度对应力分布的影响根据孔洞的位置分布，孔洞可以被分为内部孔洞和表面孔洞 。利用 节的 参数化建模方法，建立空间角度 ，和 分别等于 ，和 的内部孔洞，其中基球半径 为 ，和 分别等于 ，和 。需要说明的是课题组只研究一个空间角度对接头应力分布的影响，不考虑多个空间角度同时作用的情况，所以在单个模型中 ，只有一个不为 。利用 建立基体模型，然后对基体模型和孔洞模型进行布尔操作，生成接头模型。为保证基体相对孔洞足够大，钢和铝的基体的长、宽、高尺寸分别为 ，和 。图 展示了空间角度 ，和 分别为 的接头模型。图 内部孔洞空间角度 ，和 分别为 的接头模型 ，将不同空间角度的内部孔洞模型导入 中，分别对钢和铝赋予材料属性，钢的属性以 为例，铝合金的属性以 为例，材料属性的数值如表 所示。对三维模型进行网格划分，将钢基体位于下端并施加固定约束，钢基体和铝基体之间设置 绑定，铝基体位于上端并施加 的竖直应力，仿真模型如图 所示。表 钢和铝合金的材料属性 名称弹性模量 泊松比钢（）铝合金（）图 有限元仿真模型 仿真结果如图 所示。由于模型众多，仅展示 ，和 分别等于 和 的应力云图。从图中可以发现，在钢 铝交接处的应力集中程度较大，且相比铝一侧，钢一侧更容易造成应力集中。对所有模型的有限元仿真分析结果进行统计，得到 ，和 与应力集中系数的变化关系，如图 所示。和 对 的影响较大，随着 和 的增大，逐渐减小。和 与 的变化关系有相同的趋势，角度从 至 的变化过程中，对应的 比 对应的 变化要稍大。随着 和 的增大，孔洞在垂直于最大主应力方向（方向）平面上的面积减小，相当于减小了危险截面的面积，从而使应力集中系数降低。随着 的增大，值没有明显变 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图 内部孔洞应力仿真云图 图 内部孔洞空间角度 ，和 对应力分布的影响 ，化，说明 对 无明显影响。这是因为孔洞空间角度的变化并不会减少危险面积。表面孔洞空间角度对应力分布的影响利用 参数化建模方法，建立空间角度 ，和 分别等于 ，和 的表面孔洞。同 节中相同，单个模型中 ，和 只有一个不为 ，接头模型由基体模型和孔洞模型进行布尔操作生成，钢和铝的基体的长、宽、高尺寸分别为 ，和 。由于三维模型较多，图 只展示了空间角度 ，和 分别为 的模型。将三维模型导入 中进行有限元仿真计算，仿真结果如图 所示。由于模型众多，图中仅展轻工机械 年第期图 表面孔洞空间角度 ，和 分别为 的接头模型 ，示了 ，和 分别等于 和 的应力云图。从图 看出，应力最高点位于钢 铝交接且靠近接头自由表面的位置，此处由于孔洞和自由表面会出现尖锐的夹角，因此会造成较高的应力集中。对有限元仿真结果进行统计，得到 ，和 与 的变化关系，如图 所示。其中，和 都对 有明显的影响。随着 和 的增大，都逐渐下降。对应的 下降速率基本不变，而 对应的 在 小于 时下降速率较大，大于 时下降速率较小。和 对 的影响并不完全相同，主要是因为 和 的变化不仅仅会改变危险截面积，还会改变孔洞和接头自由表面的夹角，种改变都会对 产生影响。对 的影响图 表面孔洞应力仿真云图 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较小，随着 的增加，先上升后下降，在 等于 时达到最大值。其中，主要通过改变孔洞和接头自由表面的夹角来影响应力集中系数。如图 所示，虚线表示孔洞与自由表面相切点的切线；切线按角度 的取值顺序（，和 ）从上到下排列。切线与自由表面的夹角越小，则孔洞与自由表面的夹角越尖锐，也就更容易造成应力集中。从图 可以看出，等于 时，孔洞和接头自由表面的夹角最小，所以会造成更高的应力集中系数。图 表面孔洞空间角度对应力分布的影响 通过对比图 和图 可以发现，在 ，和 相同时，表面孔洞的 要比内部孔洞的 大，也说明表面孔洞更容易造成高应力集中，其危害程度更大。结论课题组将钢 铝 接头的孔洞和基体简化为椭球体和规则几何体进行量化分析，利用 实现了椭球体的参数化建模，最后利用 对不同位置和不同空间角度的孔洞进行了有限元仿真分析，得到以下结论：）使用 二次开发程序实现了椭球体的参数化建模，提高了建模效率，为后期的有限元仿真分析提供了便利。）利用 分析内部孔洞的空间角度对接头应力分布的影响，发现 和 都对应力集中系数 有较大的影响。和 越小，孔洞造成的 就越大，孔洞危险程度也越高；随着 的增大，没有明显变化，图 孔洞与接头自由表面的夹角 说明 对 无明显影响；无论 ，和 为何值，应力集中程度最高点都位于钢和铝的交接处。）利用 分析表面孔洞的空间角度对接头应力分布的影响，发现 和 都对 有较大的影响。和 越小，孔洞造成的 就越大，孔洞危险程度也越高；对 的影响较小，的增大会使 先升高后降低，在 等于 时达到最高值；无论 ，和 为何值，应力集中程度最高点都位于钢 铝交接且靠近接头自由表面的位置。）在空间角度 ，和 相同时，表面孔洞的应力集中系数比内部孔洞的应力集中系数大，这表明表面孔洞的危险程度通常比内部孔洞要高。课题组利用参数化建模和仿真分析的方法研究了孔洞位置和孔洞空间角度对钢 铝 接头应力分布的影响，为孔洞危险程度的评估提供了一定参考。针对接头中存在的多孔洞问题，后续工作应研究多孔洞对应力分布的影响。轻工机械 年第期参考文献：张桂源 钢 铝异种金属搅拌摩擦焊接头界面组织与性能的研究 长春：长春工业大学，：万龙，黄永宪，刘鑫，等 铝 钢异质金属搅拌摩擦焊技术研究进展 焊接，（）：，：李默阳 铝合金与 冷轧钢填丝搅拌摩擦焊研究 重庆：重庆理工大学，：，：，：，（）：，：，：，：姜顺超 焊缝孔洞三维特征对钢 铝焊接接头疲劳性能影响 温州：温州大学，：冯旺，陈浩，杨亚莉，等 弹簧整体参数化设计与有限元分析 软件导刊，（）：韩志仁，马志友，车剑昭，等 基于 的数控弯管模具快速设计 航空制造技术，（）：江志农，王金铭，王瑶，等 气量调节工况下 往复压缩机曲轴有限元分析 机电工程，（）：，（）：，：，：（），：董廷 基于 二次开发的车身骨架建模 客车技术与研究，（）：吴圣川，胡雅楠，杨冰，等 增材制造材料缺陷表征及结构完整性评定方法研究综述 机械工程学报，（）：，：？，：，（）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （上接第 页），：，：，：，（）：施法中 计算机辅助几何设计与非均匀有理 样条 版北京：高等教育出版社，：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