[發(fā)明專利]一種基于環(huán)焊溫度場(chǎng)仿真的火箭貯箱FSW核心區(qū)溫度預(yù)測(cè)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310514614.0
• 申請(qǐng)日: 2023-05-09
• 公開（公告）號(hào): CN116663352A
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧曉紅;李享純;賈振元;孫世煊;欒貽函;滕樂;楊幫華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F30/28;G06F119/08;G06F119/14;G06F113/08
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪

1.一種基于環(huán)焊溫度場(chǎng)仿真的火箭貯箱FSW核心區(qū)溫度預(yù)測(cè)方法，其特征在于，具體步驟如下：

步驟1：對(duì)模型進(jìn)行三維建模；在SOLIDWORKS軟件中，建立考慮幾何形貌的攪拌頭三維模型，并將其導(dǎo)入到ABAQUS軟件中，由于不考慮攪拌頭變形，將攪拌頭設(shè)置為剛體；在ABAQUS軟件中選取火箭貯箱筒段的局部作為焊件繪制三維模型，焊件整體設(shè)定為歐拉體，歐拉體被劃分為材料層和歐拉空層，對(duì)材料層進(jìn)行單獨(dú)建模，將其設(shè)置為可變形實(shí)體，用于材料指派；

步驟2：定義攪拌頭和貯箱的材料屬性，分別設(shè)定隨溫度動(dòng)態(tài)變化的材料參數(shù)；采用Johnson-Cook材料本構(gòu)模型描述焊接過程中貯箱材料流變應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率以及溫度之間的關(guān)系；

步驟3：采用質(zhì)量縮放方法減少環(huán)焊溫度場(chǎng)仿真模型的計(jì)算時(shí)間；仿真整體時(shí)間由穩(wěn)定時(shí)間增量Δt決定，見公式(1)，Δt越大，計(jì)算越快；

式中，L_e是模型最小網(wǎng)格單元長(zhǎng)度；C_d是材料的膨脹波速度，E為彈性模量；ρ*為材料密度；

通過增大貯箱材料的密度放大質(zhì)量，增大穩(wěn)定時(shí)間增量，加快仿真速度；此時(shí)，貯箱筒段產(chǎn)熱散熱隨之變化，如式(2)和式(3)所示；

Q_x,f＝CmΔT(2)

式中，Q_x,f是貯箱材料改變單位溫度時(shí)吸收或放出的熱量；C為單位質(zhì)量貯箱材料的熱容量；m為貯箱局部的質(zhì)量；ΔT為溫度改變量；

式中，ρ是貯箱密度；U_i是環(huán)焊過程中攪拌頭在x和y方向上運(yùn)動(dòng)的速度；k是貯箱材料熱導(dǎo)率；H._f是貯箱和攪拌頭間的摩擦生熱率；

對(duì)貯箱材料的密度參數(shù)進(jìn)行放大后，貯箱吸收及放出熱量會(huì)受到影響，縮小熱容這一材料參數(shù)，即可對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償；

步驟4：對(duì)模型進(jìn)行裝配和網(wǎng)格劃分；

步驟5：定義分析步和輸出，使用ABAQUS/Explicit進(jìn)行顯式動(dòng)態(tài)分析；依次定義FSW環(huán)焊下壓階段分析步、停留階段分析步、進(jìn)給階段分析步，選取節(jié)點(diǎn)溫度作為輸出場(chǎng)變量；

步驟6：定義接觸性質(zhì)和摩擦模型；攪拌頭和貯箱間的接觸作用設(shè)定為通用接觸；法向接觸選用硬接觸；切向接觸定義接觸界面間的摩擦行為；摩擦模型選用庫侖摩擦模型，如式(4)所示；

τ_eq＝τ_crit＝μp(4)

式中，τ_eq為等效摩擦應(yīng)力；τ_crit為臨界剪切力，計(jì)算的摩擦力即為接觸界面間允許滑動(dòng)的最大剪切力；p為接觸點(diǎn)的接觸應(yīng)力；μ為隨溫度變化的非線性摩擦系數(shù)；

步驟7：設(shè)置貯箱局部的熱邊界條件；綜合考慮對(duì)流傳熱和接觸導(dǎo)熱，對(duì)貯箱表面和大氣、墊板、夾具之間的傳熱模式和傳熱系數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

步驟8：設(shè)置貯箱局部的機(jī)械邊界條件，限制其自由度使其固定；分別設(shè)置攪拌頭在攪拌摩擦環(huán)焊三個(gè)階段的機(jī)械邊界條件：在下壓階段，設(shè)定下壓速度和繞自身中心軸自轉(zhuǎn)的角速度；在停留階段，設(shè)定攪拌頭自轉(zhuǎn)角速度；在進(jìn)給階段，攪拌頭繞自身帶有傾角的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞筒段中心軸公轉(zhuǎn)，需結(jié)合幅值-周期函數(shù)設(shè)置攪拌頭位移和角速度，基于平行四邊形定則進(jìn)行運(yùn)動(dòng)合成，最終實(shí)現(xiàn)攪拌頭環(huán)焊軌跡的設(shè)定；

對(duì)環(huán)焊進(jìn)給階段攪拌頭的機(jī)械邊界條件進(jìn)行設(shè)定時(shí)，首先創(chuàng)建攪拌頭自身的部件坐標(biāo)系X₁Y₁Z₁，坐標(biāo)系原點(diǎn)放置在攪拌針小徑圓心處，Y₁軸平行于貯箱筒段中心軸線，Z₁軸為攪拌頭自身旋轉(zhuǎn)軸；設(shè)定攪拌頭在部件坐標(biāo)系三個(gè)方向的角速度；Y₁軸方向的角速度設(shè)定為筒段轉(zhuǎn)速，X₁、Z₁軸方向的角速度大小設(shè)定為k，分別再定義幅值-周期函數(shù)曲線，周期函數(shù)用傅里葉級(jí)數(shù)表示，周期函數(shù)a的表達(dá)式如下：

其中，A₀為角速度的初始幅值，設(shè)定為0；A_n、B_n設(shè)置為自轉(zhuǎn)角速度數(shù)值；設(shè)定k＝1；N為傅里葉級(jí)數(shù)的個(gè)數(shù)；ω_a為圓頻率，單位為rad/s，設(shè)定為攪拌頭的公轉(zhuǎn)角速度；t_a為角速度幅值-周期函數(shù)曲線的起始時(shí)刻，設(shè)定為0；

如果剛體參與兩個(gè)不同方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，其角速度分別為和剛體合成的角速度遵守平行四邊形定律，如式(6)；攪拌針在X₁、Y₁和Z₁軸方向的角速度進(jìn)行兩次合成后，攪拌針可繞自身中心軸自轉(zhuǎn)，且中心軸繞Y₁軸旋轉(zhuǎn)；

再對(duì)攪拌頭在部件坐標(biāo)系三個(gè)方向的位移進(jìn)行設(shè)定；Y₁軸方向的位移設(shè)定為0，X₁和Z₁軸方向的位移大小設(shè)定為l，分別再定義兩方向的位移幅值-周期函數(shù)曲線，周期函數(shù)b的表達(dá)式如下：

其中，C₀為位移的初始幅值，設(shè)定為0；C_n、D_n設(shè)定為攪拌頭的公轉(zhuǎn)半徑值；設(shè)定l＝1；ω_b設(shè)定為攪拌頭的公轉(zhuǎn)角速度；t_b為位移幅值-周期函數(shù)曲線的起始時(shí)刻，考慮攪拌頭傾角這一因素，還需要設(shè)定t_b參數(shù)，t_b計(jì)算公式如式(8)所示；然后遵從平行四邊形定則實(shí)現(xiàn)位移合成，最終完成了攪拌頭環(huán)焊進(jìn)給階段的軌跡設(shè)定；

式中，α為攪拌針下壓時(shí)傾角；ω為圓頻率，設(shè)定為公轉(zhuǎn)角速度；

步驟9：建立離散場(chǎng)，對(duì)歐拉體進(jìn)行材料指派；歐拉體的材料層被賦予材料，歐拉空層供焊接過程焊件上表面材料流動(dòng)；將材料層實(shí)體排除在仿真外，不參與仿真計(jì)算；

步驟10：創(chuàng)建任務(wù)并遞交運(yùn)算，為保證Abaqus運(yùn)動(dòng)合成穩(wěn)定且計(jì)算準(zhǔn)確，Abaqus/Explicit的計(jì)算精度設(shè)置為“兩者-分析+packager”，輸出精度設(shè)置為“完全”；獲取不同焊接工藝參數(shù)組合下的環(huán)焊溫度場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)不同焊接工藝參數(shù)組合下火箭貯箱FSW核心區(qū)溫度預(yù)測(cè)。