CN110807274B - 基于deform的连续摩擦焊接弱规范的数值模拟方法 - Google Patents

基于deform的连续摩擦焊接弱规范的数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DEFORM的连续摩擦焊接弱规范的数值模拟方法，包括：基于DEFORM软件扭转变形模拟功能，建立双工件几何模型，上模施加摩擦压力，下模施加转速，双工件选用弹塑性体；上模代表摩擦焊机尾座夹具，下模代表摩擦焊机主轴夹具，双工件选用弹塑性体；建立对库仑摩擦的摩擦系数μ和摩擦面的温度T、压力p以及旋转工件等效直径线速度V的函数关系，将函数关系写入对库仑摩擦的用户子程序usr_bcc.f，根据用户子程序usr_bcc.f生成DEF_SIM.exe文件并替换；对双工件进行模拟处理，根据模拟处理结果修正摩擦焊接工艺。本发明能够为摩擦焊接工艺设计和工艺优化提供数据支持。

Description

基于deform的连续摩擦焊接弱规范的数值模拟方法
技术领域
本发明涉及属于摩擦焊接领域，具体说，涉及一种连续驱动摩擦焊接弱规范数值模拟方法。
背景技术
连续驱动摩擦焊接过程是一个非常复杂的热力耦合过程，具有时间短、温度高、变形大的特征，期间伴随和耦合着摩擦热的产生和传散、塑性变形和塑性流动等一系列的物理现象。因此在实际生产中，普遍采用“试错法”进行焊接工艺参数的确定和改进优化，但是，“试错法”存在周期长、成本高等问题。
数值模拟技术是使材料科学和材料加工相关研究从“经验”走向科学，从“定性”走向“定量”的桥梁。上世纪60年代以来，高校和研究单位的学者使用ANSYS、ABAQUS、MARC等CAE软件，在摩擦焊接过程数值模拟方面做了大量研究工作。DEFORM作为专业金属成形有限元模拟软件，选用DEFORM软件Plastic工件类型和Coulomb摩擦类型，并输入一个随温度变化的界面摩擦系数，仅仅能够模拟连续驱动摩擦焊接过程温度场、应力场、应变场、变形速率场等情况。
摩擦扭矩是工艺设计过程中进行设备选择的主要依据，峰值扭矩超出设备扭矩极限，则造成“闷车”事故。另外，摩擦加热是摩擦焊接的物理基础，摩擦加热功率的大小与摩擦扭矩直接相关，其随摩擦时间的变化关系，直接影响接头的加热过程、焊接生产率和焊接质量，也将影响摩擦焊机的设计与制造。但是，摩擦扭矩是实际焊接过程中输出的参量，是摩擦界面材料微观变化的“力学宏观表现”，其影响因素复杂，目前未发现有关数值模拟成果。
基于DEFORM软件和文献报导，对低摩擦压力焊接(比如一级摩擦压力10～20Mpa)进行了长时间的数值模拟研究，始终无法得到令人满意的结果。因此，基于DEFORM这一专业软件，开发一级摩擦压力10～20Mpa、摩擦速度0.6m/s～3.0m/s的弱规范摩擦焊接数值模拟方法，实现对摩擦焊接过程的摩擦扭矩、轴向缩短量，以及温度场、应力场、应变场、变形速率场等情况的有限元数值模拟，对设计和优化摩擦焊接工艺参数具有重要意义。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种连续驱动摩擦焊接弱规范数值模拟方法，能够为摩擦焊接工艺设计和工艺优化提供数据支持。
技术方案如下：
一种基于DEFORM的连续摩擦焊接弱规范的数值模拟方法，包括：
基于DEFORM软件扭转变形模拟功能，建立双工件几何模型，上模施加摩擦压力，下模施加转速，双工件选用弹塑性体；上模代表摩擦焊机尾座夹具，下模代表摩擦焊机主轴夹具；
建立对库仑摩擦的摩擦系数μ和摩擦面的温度T、压力p以及旋转工件等效直径线速度V的函数关系，将函数关系写入对库仑摩擦的用户子程序usr_bcc.f，根据用户子程序usr_bcc.f生成新DEF_SIM.exe文件并替换原有的DEF_SIM.exe文件；函数关系为其中f0、ap、bT、cv为相关材料和工艺参数的影响因子，在0.6m/s～3.0m/s的范围内，cv＝c1-c2V，其中c1取1.20～1.50，c2取0.18～0.24；公式中r为有限元单元的旋转半径，t为摩擦时间，μ(r,t)为旋转半径为r的有限元单元在t时刻的摩擦系数；
对双工件进行模拟处理，根据模拟处理结果修正摩擦焊接工艺。
进一步，选用低于材料实际值的热膨胀系数α,以模拟摩擦焊过程中热膨胀和磨损对摩擦界面变形的复合影响，一级摩擦压力10～20Mpa时，热膨胀系数α取1.27×10-7m/℃～9.27×10-7m/℃。
进一步，先采用中间值和两个边值，对摩擦压力P15Mpa、摩擦速度V 1.0m/s进行峰值摩擦扭矩模拟计算，与实测峰值摩擦扭矩进行比对，进行迭代寻优，确定模拟用热膨胀系数α，热膨胀系数α选取1.27×10-7m/℃～9.27×10-7m/℃。
进一步，选用混合摩擦界面接触条件来反映摩擦过程摩擦机制的转换。
进一步，采用absoft pro fortran修改Deform用户子程序usr_bcc.f，对库仑摩擦的用户子程序usr_bcc.f进行修改，建立摩擦系数μ和摩擦面的温度T、压力p以及旋转工件等效直径线速度V的函数关系。
进一步，采用absoft pro fortran修改Deform用户子程序usr_bcc.f，生成新的DEF_SIM.exe文件，用其替换Deform目录下的原始DEF_SIM.exe文件，重新运行Deform，加载新的DEF_SIM.exe文件，完成新嵌入模型的修改。
进一步，摩擦界面的接触条件选用混合摩擦，库仑摩擦值取User Rtn，User Rtn用于调用用户子程序usr_bcc.f，剪切摩擦值取Constant＝0.9。
本发明技术效果包括：
本发明能模拟金属材料一级摩擦压力10～20Mpa、摩擦速度0.6m/s～3.0m/s的连续驱动摩擦焊接过程中的摩擦扭矩、轴向缩短量等情况，也能够模拟温度场、应力场、应变场、变形速率速度场等情况，能够为摩擦焊接工艺设计和工艺优化提供数据支持，针对摩擦焊接过程的磨损问题，开发相应的技术措施，对于设计和优化摩擦焊接工艺参数具有重要意义。
本发明充分发挥了DEFORM这一专业软件的特点，便于掌握EFORM软件的工程师们使用，对连续驱动摩擦焊接数值模拟技术发展具有重要意义。
附图说明
图1是本发明中利用DEFORM-2D软件构建双工件几何模型的界面图；
图2是本发明中模拟控制(Simulation Controls)中的扭转变形(torsion)的界面图；
图3是本发明中确定热膨胀系数的界面图；
图4是本发明中接触设置的界面图；
图5是本发明中摩擦扭矩随时间变化的曲线图；
图6是本发明中峰值扭矩时界面温度分布图；
图7是本发明中顶锻结束时得出轴向缩短量的界面图；
图8是本发明中122s时等效应力的界面图；
图9是本发明中122s时焊接接头等效应变场的界面图；
图10是本发明中122s时焊接接头等效应变速率场的界面图。
具体实施方式
以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践和再现。
本发明基于DEFORM这一专业金属成形有限元模拟软件，运用其扭转变形(torsion)模拟功能实现对连续驱动摩擦焊接过程数值模拟。
连续驱动摩擦焊接弱规范数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤1：基于DEFORM软件扭转变形模拟功能，建立双工件几何模型，上模施加摩擦压力，下模施加转速，双工件选用弹塑性体；
如图1所示，是本发明中利用DEFORM-2D软件构建双工件几何模型的界面图。
运行DEFORM-2D软件，进入模拟控制(Simulation Controls)菜单下Main→geometry中的扭转变形(torsion)功能，构建上模+双工件+下模的几何模型。上模代表摩擦焊机尾座夹具，下模代表摩擦焊机主轴夹具，双工件选用弹塑性体。
因扭转变形一般是三维模拟才能处理的问题，DEFORM-2D能在二维下处理扭转变形，而提供了扭转变形(torsion)功能，这样就可用二维模型处理扭转变形这一三维问题，极大提高模拟效率。
摩擦产热阶段，双工件选用弹塑性体(Elastic-Plastic)，顶锻阶段，双工件选用塑性体(Plastic)。
选择热膨胀系数。一级摩擦压力10～20Mpa时，热膨胀系数α(thermal expansion)取1.27×10-7m/℃～9.27×10-7m/℃。
选择热膨胀系数的原理：实际应用时，先采用中间值和两个边值，对摩擦压力P15Mpa、摩擦速度V1.0m/s进行峰值摩擦扭矩模拟计算，与实测峰值摩擦扭矩进行比对，进行迭代寻优，确定模拟用热膨胀系数α。热膨胀系数α选择1.27×10-7m/℃～9.27×10-7m/℃，是基于经验的推断，目的是考虑能适用不同材料。
摩擦界面的接触条件选用混合摩擦(Hybrid)，库仑摩擦(coulomb)值取User Rtn(调用用户子程序usr_bcc.f)，剪切摩擦(Shear)值取Constant＝0.9。
选用混合摩擦(Hybrid)界面接触条件来反映摩擦过程摩擦机制的转换。摩擦焊接过程中的摩擦行为直接影响着摩擦界面上的能量输入，进而影响焊接接头的物理参量场分布、接头的组织及性能等。因此，如何恰当地描述摩擦焊接过程中的摩擦行为，成为摩擦焊接过程数值模拟的一个关键问题。分别采用库仑(Coulomb)摩擦机制和剪切(Shear)摩擦机制的方法描述摩擦焊接过程中的摩擦行为。
1、库仑摩擦机制。
当摩擦焊接过程刚刚开始时，工件接触面比较粗糙，并且温度还比较低，工件接触面的状态为经典库伦摩擦。该阶段用库伦摩擦模型进行模拟，采用下式计算：
式中τc--库伦摩擦模型摩擦应力；
μ--库伦摩擦系数；
“一”表示焊接工件的摩擦应力方向与相对运动线速度相反；
σn--应力；
νs--相对运动线速度。
在库仑摩擦机制下，摩擦理论的研究显示：摩擦面的温度T、压力p以及旋转工件等效直径线速度V对摩擦系数μ均有不同的影响，库仑摩擦的摩擦系数μ和摩擦面的温度T、压力p以及旋转工件等效直径线速度V的函数关系为：
上述公式为经验公式，P、T、V依次表示焊接接触面承受的压力、焊接接头的接触面温度和旋转工件等效直径线速度，f0、ap、bT、cv为相关材料和工艺参数的影响因子。公式中r为有限元单元的旋转半径，t为摩擦时间，μ(r,t)即为旋转半径为r的有限元单元在t时刻的摩擦系数。
2、剪切摩擦机制。
随着摩擦的持续，工件接触面的温度迅速升高，焊接接头的会属材料很快进入塑性变形状态，这时采用剪切摩擦模型进行模拟，可以用下式计算：
式中τs--剪切摩擦模型摩擦应力：
m--剪切摩擦系数，取值范围m＝0～1；
k--金属材料的剪切屈服强度。
k与σs的关系由下式表示为：
k＝0.577σs，其中σs为材料的屈服强度。
3、两种机制的转换。
初始阶段摩擦面温度低，τc≤τs，计算节点所受的摩擦应力τf＝τc；随着摩擦面区域温度的升高，τs逐步降低，当τc>τs时，τf＝τs。
Deform软件接触设置中有混合摩擦(Hybrid)，可用于摩擦焊接过程中摩擦机制的转换的描述，方便了摩擦焊接的模拟技算。
步骤2：建立摩擦系数μ和摩擦面的温度T(℃)、压力p(Mpa)以及旋转工件等效直径线速度V(m/s)的函数关系，将函数关系写入对库仑摩擦(coulomb)的用户子程序usr_bcc.f，根据用户子程序usr_bcc.f生成新DEF_SIM.exe文件并替换原有的DEF_SIM.exe文件；
采用absoft pro fortran v11.0修改Deform V11.0用户子程序usr_bcc.f。对库仑摩擦(coulomb)的用户子程序usr_bcc.f进行二次开发(修改)，建立摩擦系数μ和摩擦面的温度T、压力p以及旋转工件等效直径线速度V的函数关系。
Absoft Pro Fortran是高性能的64位编译器，适用于HPC、Linux、Windows和MacOS操作系统。使用Cray/SGI技术和优化技术，能在AMD64微型设备和Intel Xeon EM64T单核和多核处理器上使用，Absoft编译器支持64位或32位代码生成，并完全与各自本地环境下的系统工具兼容。
摩擦系数μ和摩擦面的温度T、压力p和旋转工件等效直径线速度V(m/s)的函数关系为：
其中，f0、ap、bT、cv为相关材料和工艺参数的影响因子，在0.6m/s～3.0m/s的范围内，V为旋转工件等效直径线速度。cv＝c1–c2V，其中c1取1.20～1.50，c2取0.18～0.24。C语言函数exp()为e的次幂函数(以e为底的x次方值)。exp()用来计算以e为底的x次方值，即ex值，然后将结果返回。
根据公式(1)，采用absoft pro fortran v11.0修改Deform V11.0用户子程序usr_bcc.f，进而生成新的DEF_SIM.exe文件，用其替换Deform-2D目录下的原始DEF_SIM.exe文件，重新运行Deform-2D，系统自动加载新的DEF_SIM.exe文件，完成新嵌入模型的二次开发。
步骤3：模拟(Simulation)处理；
按DEFORM-2D软件的要求进行模拟处理。
步骤4：后处理(Post Processer)；根据模拟处理结果修正摩擦焊接工艺。
按DEFORM-2D软件的要求进行后处理，获取摩擦扭矩、轴向缩短量，温度场、应力场、应变场、变形速率场等模拟结果。
实施例1
D50Re钢，Φ130mm×壁厚20mm×长100mm的管材的摩擦焊接过程数值进行模拟。摩擦焊接工艺参数见表1。
表1连续驱动摩擦焊接工艺参数
数值模拟如下：
1、前处理；
1.1、模拟控制(Simulation Controls)菜单→Main→geometry中扭转变形(torsion)；
如图2所示，是本发明中模拟控制(Simulation Controls)中的扭转变形(torsion)的界面图。
1.2、构建上模+双工件+下模的几何模型；
摩擦产热阶段，双工件选用弹塑性体(Elastic-Plastic)；摩擦产热阶段，双工件选用塑性体(Plastic)。
按三个区域划分网格，中部的摩擦界面区域划分网格最细，两端的远离界面区域划分网格最粗(参见图1)。
1.3、热膨胀系数(thermal expansion)取5.27×10-7m/℃；
如图3所示，是本发明中确定热膨胀系数的界面图。
1.4、接触设置；
如图4所示，是本发明中接触设置的界面图。
摩擦界面的接触选用混合摩擦(Hybrid)，其下的库仑摩擦(coulomb)值取UserRtn，剪切摩擦(Shear)值取Constant＝0.9。
1.5、其他前处理按DEFORM-2D软件的要求进行处理。
2、库仑摩擦用户子程序开发；
采用absoft pro fortran v11.0修改Deform V11.0用户子程序usr_bcc.f。建立摩擦系数μ和摩擦面的温度T、压力p和旋转工件等效直径线速度V的函数关系，具体如下式：
μ＝0.12p-0.233·(T-273)0.471·exp(-0.778)
生成新的DEF_SIM.exe文件，用其替换Deform-2D目录下的原始DEF_SIM.exe文件，重新运行Deform-2D。系统自动加载新的DEF_SIM.exe文件，完成新嵌入模型的二次开发。
3模拟(Simulation)；
按DEFORM-2D软件的要求进行模拟处理。
4后处理(Post Processer)
按DEFORM-2D软件的要求进行后处理，获取摩擦扭矩、轴向缩短量以及温度场、应力场、应变场等模拟结果。
①摩擦扭矩随时间的变化；
如图5所示，是本发明中摩擦扭矩随时间变化的曲线图。
峰值扭矩出现在5.80s，峰值扭矩值1790N·m。
②峰值扭矩时焊接接头温度分布；
如图6所示，是本发明中峰值扭矩时界面温度分布图。
5.8s时峰值扭矩达到最大，界面最高温度为1210℃。
③顶锻结束时的轴向缩短量；
如图7所示，是本发明中顶锻结束时得出轴向缩短量的界面图。
顶锻结束时的轴向缩短量为30.50mm。
④122s时焊接接头等效应力场(Stress Effective)；
如图8所示，是本发明中122s时等效应力的界面图。
122s时焊接接头等效应力149Mpa。
⑤122s时焊接接头等效应变场(Strain Effective)；
如图9所示，是本发明中122s时焊接接头等效应变场的界面图。
122s时焊接接头最大等效应变3.47。
⑥122s时焊接接头等效应变速率场(Strain rate Effective)。
如图10所示，是本发明中122s时焊接接头等效应变速率场的界面图。
122s时焊接接头最大等效应变速率1.41s-1。
本发明能模拟金属材料一级摩擦压力10～20Mpa、摩擦速度0.6m/s～3.0m/s的连续驱动摩擦焊接过程摩擦扭矩、轴向缩短量等情况，也可模拟温度场、应力场、应变场、变形速率速度场等情况。对材质为D50Re钢，Φ130mm×壁厚20mm×长100mm的管材摩擦焊接过程进行模拟，摩擦扭矩模拟结果与实测值相差小于±10％。
本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种基于DEFORM的连续摩擦焊接弱规范的数值模拟方法，包括：
基于DEFORM软件扭转变形模拟功能，建立双工件几何模型，上模施加摩擦压力，下模施加转速，双工件选用弹塑性体；上模代表摩擦焊机尾座夹具，下模代表摩擦焊机主轴夹具；
选用混合摩擦界面接触条件来反映摩擦过程摩擦机制的转换，当摩擦焊接过程刚刚开始时，工件接触面粗糙，并且温度低，工件接触面的状态为经典库伦摩擦，用公式计算，其中，τc为库伦摩擦模型摩擦应力；μ为库伦摩擦系数；-表示焊接工件的摩擦应力方向与相对运动线速度相反；σn为应力；νs为相对运动线速度；随着摩擦的持续，工件接触面的温度升高，焊接接头进入塑性变形状态，采用剪切摩擦模型进行模拟，用公式/>计算，其中，τs为剪切摩擦模型摩擦应力；m为剪切摩擦系数，取值范围m＝0～1；k为金属材料的剪切屈服强度，k与σs的关系表示为：k＝0.577σs，其中σs为材料的屈服强度；初始阶段摩擦面温度低，τc≤τs，计算节点所受的摩擦应力τf＝τc；随着摩擦面区域温度的升高，τs逐步降低，当τc>τs时，τf＝τs；
选用低于材料实际值的热膨胀系数α，以模拟摩擦焊过程中热膨胀和磨损对摩擦界面变形的复合影响，先采用中间值和两个边值，对摩擦压力P15Mpa、摩擦速度V1.0m/s进行峰值摩擦扭矩模拟计算，与实测峰值摩擦扭矩进行比对，进行迭代寻优，确定模拟用热膨胀系数α，一级摩擦压力10～20Mpa时，热膨胀系数α取1.27×10-7m/℃～9.27×10-7m/℃；
建立对库仑摩擦的摩擦系数μ和摩擦面的温度T、压力p以及旋转工件等效直径线速度V的函数关系，将函数关系写入对库仑摩擦的用户子程序usr_bcc.f，根据用户子程序usr_bcc.f生成新DEF_SIM.exe文件并替换原有的DEF_SIM.exe文件；函数关系为其中f0、ap、bT、cv为相关材料和工艺参数的影响因子，在0.6m/s～3.0m/s的范围内，cv＝c1-c2V，其中c1取1.20～1.50，c2取0.18～0.24；公式中r为有限元单元的旋转半径，t为摩擦时间，μ(r,t)为旋转半径为r的有限元单元在t时刻的摩擦系数；
对双工件进行模拟处理，根据模拟处理结果修正摩擦焊接工艺。
2.如权利要求1所述基于DEFORM的连续摩擦焊接弱规范的数值模拟方法，其特征在于，采用absoftprofortran修改Deform用户子程序usr_bcc.f，对库仑摩擦的用户子程序usr_bcc.f进行修改，建立摩擦系数μ和摩擦面的温度T、压力p以及旋转工件等效直径线速度V的函数关系。
3.如权利要求1所述基于DEFORM的连续摩擦焊接弱规范的数值模拟方法，其特征在于，采用absoftprofortran修改Deform用户子程序usr_bcc.f，生成新的DEF_SIM.exe文件，用其替换Deform目录下的原始DEF_SIM.exe文件，重新运行Deform，加载新的DEF_SIM.exe文件，完成新嵌入模型的修改。
4.如权利要求1所述基于DEFORM的连续摩擦焊接弱规范的数值模拟方法，其特征在于，摩擦界面的接触条件选用混合摩擦，库仑摩擦值取User Rtn，UserRtn用于调用用户子程序usr_bcc.f，剪切摩擦值取Constant＝0.85。
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