CN117577232A - 铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法及应用，进行拉伸试验：对不同材料以及不同焊接参数的铝合金搅拌摩擦焊对接接头进行测试，并记录材料和焊接参数；根据试验结果获得关键参数；根据精度需求和本构范围需求，将本构模型划分M阶段；利用关键参数和M阶段模型，绘制完整的本构模型；将绘制的本构模型、相关的材料和焊接参数输入到模型库中；对于相同材料的输入关键参数，建立预测方程；当需要提取本构模型时，对于使用已有的材料和焊接参数，通过模型库中对应的实测关键参数，绘制应力‑应变曲线；对于使用已有的材料但尚未输入的焊接参数，可通过模型库中相同材料建立的预测方程来预测关键参数，并绘制应力‑应变曲线。

Description

铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法及应用

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，特别涉及一种铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法及应用。

背景技术

搅拌摩擦焊接技术是指依靠搅拌头和被焊工件的摩擦热及被焊工件塑性变形释放的热量导致被焊材料达到塑化状态，在搅拌头前进的同时，搅拌头后侧形成一个稳定的流场，待搅拌头远离后，被焊材料冷却形成焊缝来实现连接。作为一种固相新型的连接技术，在焊接铝合金方面有着TIG焊或者MIG焊不能比拟的优势，由于铝合金高氧化性、高导热性以及高热膨胀系数的影响，在焊接的过程中容易产生气孔、裂纹等缺陷。而搅拌摩擦焊过程中铝合金温度远低于熔化温度，所以能够避免或减轻熔化焊所产生一系列缺陷问题。目前该技术已广泛应用于航空航天、船舶、轨道交通、汽车等众多领域中，且由于其没有弧光、烟尘和飞溅物等优点，几乎没有造成环境污染。因此，搅拌摩擦焊接技术被称为“绿色焊接方法”。

本构模型是一种用于描述材料力学行为的数学模型，它通过数学方程或者图表来表示材料的应力-应变关系。材料的本构模型对研究材料的性质和预测结构的性能以及优化设计有很大的作用，本构模型帮助工程师和研究人员预测材料在不同工况下的性能。这对于设计和优化各种结构和设备非常关键，以确保它们在实际使用中能够安全可靠地运行。通过本构模型，还可以模拟和分析不同的材料组合、几何形状和工艺参数，以便找到最佳的设计解决方案。这有助于降低成本、提高效率和减少资源浪费。

铝合金搅拌摩擦焊对接接头应力-应变曲线形式是一个连续的“膝形”曲线，没有明确的屈服点。而传统适用于铝合金材料的Ramberg-Osgood并不能对其进行很好的描述。目前，对铝合金搅拌摩擦焊对接接头应力-应变曲线描述的方法主要是Ludwik模型，Ludwik模型是由Hollomon模型演化而来的，但这种模型并不能完整描述铝合金搅拌摩擦焊对接接头的应力，只能在屈服点附近近似表达，精度完全不能满足现有先进分析的需要，且不再具有应力-应变曲线通过原点的性质，应力值无上限，属于非饱和模型。此外，使用不同焊接参数的搅拌摩擦焊对接接头应力-应变曲线表现出不同程度的非线性行为，主要是由于输入温度、材料的塑性流动和搅拌摩擦焊接过程中搅拌的均匀程度的不同。这造成了使用单一模型表述铝合金搅拌摩擦焊对接接头应力-应变曲线的困难。

随着搅拌摩擦焊接技术在铝合金结构发挥越来越重要的作用，业内对搅拌摩擦焊接工艺、焊接后的力学性能进行了大量的研究。尽管对常用铝合金的焊接工艺及力学性能已经有深入的研究，但目前缺乏能描述铝合金搅拌摩擦焊对接接头应力-应变曲线的本构模型。鉴于此，研发出一种铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法及应用，以便在工程及其他领域中更好地进行先进分析，并填充铝合金搅拌摩擦焊对接接头描述应力-应变曲线本构模型的空白，为本领域近年来所亟待解决的技术难题。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提出一种铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法及应用，采用多阶段模型来描述铝合金搅拌摩擦焊对接接头应力-应变曲线，建立模型所需要的关键参数：应力的部分实测值、应变的部分实测值、杨氏模量，实现了任意牌号铝合金，任意焊接参数下，描述铝合金搅拌摩擦焊对接接头应力-应变曲线的本构模型的建立问题，以达到方便在工程领域和先进分析中使用的效果。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法，包括以下步骤：

S1：进行拉伸试验，对不同材料以及不同焊接参数的铝合金搅拌摩擦焊对接接头进行测试，并记录材料和焊接参数；

S2：根据试验结果获得关键参数，关键参数包括建立本构模型所需的杨氏模量E₀、部分应力和部分应变；

S3：根据精度需求和本构范围需求，将本构模型划分M阶段；

S4：利用关键参数和M阶段模型，绘制完整的本构模型；

S5：将绘制的本构模型、相关的材料和焊接参数输入到模型库中；

S6：对于相同材料的输入关键参数，建立预测方程；

S7：当需要提取本构模型时，对于使用已有的材料和焊接参数，通过模型库中对应的实测关键参数，绘制应力-应变曲线；对于使用已有的材料但尚未输入的焊接参数，可以通过模型库中相同材料建立的预测方程来预测关键参数，并绘制应力-应变曲线。

进一步的，所述绘制完整的本构模型具体是指：采用多阶段模型来描述铝合金搅拌摩擦焊对接接头应力-应变曲线，建立模型所需要的关键参数有：应力的部分实测值、应变的部分实测值、杨氏模量，模型的形式如下：

其中：

σ为输入应力；

σ_i为模型第i段数据中的最大实测应力；

σ_ki为模型第i段数据中部某一实测应力；

ε_M为输出应变，其下标M表示使用模型的阶段数；

ε_i为模型第i段对应的最大实测应变；

E_i-1为模型第i段所对应的名义模量，其中E₀为杨氏模量，其余名义模量由上述计算公式得出；

n_i为模型第i段所对应的名义硬化指数；

将通过拉伸试验获得的所需要的关键参数E₀、σ_i、σ_ki及ε_i带入到模型中，输入应力即可获得相应的预测应变，以此建立本构模型，得到应力-应变关系。

进一步的，为了方便使用及高精度的需求，所述M可取3，即可取三阶段模型建立用来描述铝合金搅拌摩擦焊对接接头应力-应变曲线；所述σ₁可取名义屈服应力，即σ₁＝σ_s；所述σ_k1可取残余应变为0.1％对应的证明应力；所述σ₂可取残余应变为2％对应的证明应力；所述σ_k2可取残余应变为1％对应的证明应力；所述σ₃可取极限抗拉应力；所述σ_k3可取残余应变为2％对应的证明应变与极限抗拉应变的均值对应的证明应力。

进一步的，所述不同材料指的是铝合金牌号以及供货状态不同。

进一步的，所述不同焊接参数指的是搅拌头种类、横轴前进速度、主轴转速的不同。

进一步的，所述模型库记录已有材料和焊接参数对应的本构关系。

进一步的，所述模型库中记录相同材料所有焊接参数的输入关键参数，以此建立关键参数的预测方程。

进一步的，所述关键参数的预测方程选择屈服强度σ_s为自变量，使用形式如下的预测方程：σ_i＝σ_s+a；σ_ki＝σ_s+b或σ_i＝σ_s[1+(a/σ_s)b]；σ_ki＝σ_s[1+(c/σ_s)d]；其中，a,b,c,d根据已有参数使用最小二乘法拟合得来。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种如上述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的应用，所述铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型用于在有限元CAE进行仿真模拟，具体包括以下步骤：

A1：在同一块焊接板附近的区域取矩形维氏硬度试样，根据《GB/T4340.2-2012金属材料维氏硬度试验》的要求，在垂直焊接方向的一侧进行打磨和抛光，进行维氏硬度试验；

A2：在打磨和抛光的一侧，沿着矩形试验长度的方向，分别在边缘和中心处进行连续测量，测量尽量保证在一条直线上；

A3：将不稳定硬度的区域的外侧点视为受到焊接影响的边缘点，判断不稳定的规则可以设置为超过一定值后变化浮动减小在一个具体的值附近波动，当些边缘点外侧维氏硬度测量的结果与普通铝合金基本一致，说明这些区域受到焊接影响的程度可以忽略，故这些边缘点为硬度恢复点，使用平滑的曲线连接这些点，绘制铝合金搅拌摩擦焊对接接头区域；

A4：在建立CAE模型时，对铝合金搅拌摩擦焊对接接头区域输入所述铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型，对铝合金搅拌摩擦焊对接接头区域之外的区域输入常规铝合金本构模型。

有益效果：本发明采用多阶段模型来描述铝合金搅拌摩擦焊对接接头应力-应变曲线，建立模型所需要的关键参数：应力的部分实测值、应变的部分实测值、杨氏模量，实现了任意牌号铝合金，任意焊接参数下，描述铝合金搅拌摩擦焊对接接头应力-应变曲线的本构模型的建立问题，以达到方便在工程领域和先进分析中使用的效果。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法的主体流程图；

图2为本发明实施例所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法在M＝1，2，3时使用实测数据绘制的本构模型曲线与实际测量对比图；

图3为本发明实施例所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法在M＝3时该方法使用实测数据和两种预测方法绘制的本构模型曲线与实际测量对比图；

图4为本发明实施例所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法中所需的铝合金材料和焊接参数示意图；

图5为本发明实施例所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法中进行拉伸试验的加载图；

图6为本发明实施例所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法中进行维氏硬度试验的测点分布图；

图7为本发明实施例所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法中的铝合金搅拌摩擦焊对接接头的范围标定图；

图8为图7中铝合金搅拌摩擦焊对接接头的的范围标定结果在试件上绘制的铝合金搅拌摩擦焊对接接头区域图；

图9为本发明实施例所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法中的铝合金搅拌摩擦焊对接接头的连接构件本构分布图；

图10为本发明实施例所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法中的铝合金搅拌摩擦焊对接接头的三阶段部分关键参数的预测效果图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

名词解释：

铝合金牌号是一种用于标识不同铝合金成分和性能特性的编码系统。这些牌号通常由数字和字母组成，不同的组合代表不同的合金类型。

以下是一些常见的铝合金牌号示例以及它们之间的区别：

铝合金通常分为不同的系列，每个系列具有一组相似的性能特性。以下是一些常见的系列号：

1xxx系列：纯铝，例如1100，具有良好的可加工性和电导率，但通常缺乏强度。

2xxx系列：铝铜合金，例如2024，具有较高的强度和硬度，但可加工性较差。

3xxx系列：铝锰合金，例如3003，具有良好的耐腐蚀性和焊接性。

5xxx系列：铝镁合金，例如5052，具有优良的耐腐蚀性和强度。

6xxx系列：铝镁硅合金，例如6061，具有中等强度和优良的可加工性。

7xxx系列：铝锂合金，例如7075，具有非常高的强度和硬度，用于高性能应用。

铝合金供货状态主要指的影响材料性能的制造工艺和会改变其性能的工艺。

目前铝合金的制造工艺主要分为下述几类：

1.铸造：铝合金的制造通常开始于铸造过程，其中将液态铝合金倒入模具中，使其冷却并凝固成所需的形状。这可以用于生产铝合金铸件，如零件、外壳等。

2.挤压：挤压是将铝合金通过一个模具挤压成所需形状的加工方法。这种方法常用于生产铝合金型材，如铝合金管、杆、型材等。

3.锻造：锻造是通过将铝合金加热至其塑性温度，然后在压力下变形成所需形状的方法。这种工艺通常用于生产高强度和高性能的铝合金零件，如飞机零部件和汽车零件。

4.轧制：轧制是将铝合金板、带材或线材通过辊轧机压延成所需的形状和尺寸。这种加工方法广泛用于生产铝合金板材、箔和卷材。

改变其性能的工艺

铝合金材料处理或改性的工艺包括一系列的热处理、表面处理和冷加工等方法，旨在改善铝合金的性能和适应特定的应用需求。以下是一些常见的铝合金材料处理或改性的工艺：

热处理：

铝合金的热处理工艺涉及到将合金材料加热至一定温度，然后通过不同的冷却和时效过程来改变其晶体结构和性能。以下是一些常见的铝合金热处理工艺：

1.固溶处理：固溶处理是将铝合金加热至固定温度范围内，以使合金元素均匀分布在晶体中。这个过程有助于提高合金的可塑性，但通常会降低硬度和强度。

2.时效处理：时效处理是固溶处理后的关键步骤，它涉及将合金加热至较低的温度，然后控制时间，使合金元素重新析出在晶体中，从而提高硬度和强度。时效处理通常分为两个阶段：自然时效和人工时效。

自然时效：合金在室温下自然老化，通常需要几天到几周的时间。这个过程可能会导致硬度和强度的提高，但需要较长的时间。

人工时效：合金在控制的温度下，经过较短的时间内人工老化，通常以几小时计。这个过程通常用于加速硬度和强度的提高。

3.固溶化处理：固溶化处理是将铝合金加热至足够高的温度，以使合金元素溶解在晶体中。这通常是时效处理之前的步骤，有助于准备合金进行时效处理。

4.退火：退火是将铝合金加热至一定温度，然后缓慢冷却的过程，目的是减少内部应力、提高可塑性，并改善晶体结构。退火通常用于加工前或改善可塑性的需求。

5.淬火：淬火是迅速冷却合金以增加其硬度和强度的过程。这通常与固溶处理和时效处理结合使用。

表面处理：

阳极氧化：阳极氧化是一种通过将铝合金浸泡在酸性电解液中，在阳极上生成氧化层的过程。这可以提高铝合金的耐腐蚀性和硬度，并提供颜色选择。

电镀：电镀是将铝合金表面涂覆一层金属或其他涂层的过程，以改善其外观和耐腐蚀性。

喷涂：喷涂是将特殊涂料或油漆喷涂到铝合金表面的过程，以增加保护性和美观度。

涂覆：涂覆是将涂料或涂层应用到铝合金表面，以提供附加的保护性和特殊性能，如耐磨性或防反光性。

冷加工

冷拉拔：冷拉拔是将铝合金丝材或管材拉伸以减小其截面尺寸的过程。这可以提高铝合金的硬度、强度和抗拉性能。冷拉拔通常用于生产铝合金线材和管材。

冷锻：冷锻是将铝合金材料在室温下压缩成所需形状的加工方法。这个过程可以提高铝合金的强度和硬度，并通常用于制造高强度的零部件，如螺栓和螺母。

折弯：折弯是将铝合金材料弯曲成所需形状的过程，通常在室温下进行。这可以改变铝合金的形状，但不会显著影响其硬度或强度。

实施例1

参见图1-10：一种铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法，包括以下步骤：

S1：进行拉伸试验，对不同材料以及不同焊接参数的铝合金搅拌摩擦焊对接接头进行测试，并记录材料和焊接参数；所述不同材料指的是铝合金牌号以及供货状态不同，所述不同焊接参数指的是搅拌头种类、横轴前进速度、主轴转速的不同；

S2：根据试验结果获得关键参数，关键参数包括建立本构模型所需的杨氏模量E₀、部分应力和部分应变；

S3：根据精度需求和本构范围需求，将本构模型划分M阶段；

S4：利用关键参数和M阶段模型，绘制完整的本构模型；

S5：将绘制的本构模型、相关的材料和焊接参数输入到模型库中；所述模型库记录已有材料和焊接参数对应的本构关系；

S6：对于相同材料的输入关键参数，建立预测方程；

本实施例的模型库中记录相同材料所有焊接参数的输入关键参数，以此建立关键参数的预测方程。

需要说明的是，本实施例的关键参数的预测方程用于建立本构模型，预测已输入材料，尚未输入的焊接参数的接头的应力-应变关系。

S7：当需要提取本构模型时，对于使用已有的材料和焊接参数，通过模型库中对应的实测关键参数，绘制应力-应变曲线；对于使用已有的材料但尚未输入的焊接参数，可以通过模型库中相同材料建立的预测方程来预测关键参数，并绘制应力-应变曲线。

本实施例解决了不同牌号铝合金在不同焊接参数下出现的应力-应变关系差异过大使得在工程领域和先进分析中难以建立铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的问题。本实施例的方法可以通过测量或预测几个关键参数来绘制高精度的应力-应变关系曲线。通过这种方法，可以建立铝合金搅拌摩擦焊对接接头的本构模型库，以便在先进分析和工程领域中对不同的焊接参数进行分析和应用。本实施例具有快速、灵敏度高、准确、容易操作、有效可行等优点。

在一具体的实例中，所述关键参数的预测方程选择屈服强度σ_s为自变量，使用形式如下的预测方程：σ_i＝σ_s+a；σ_ki＝σ_s+b或σ_i＝σ_s[1+(a/σ_s)b]；σ_ki＝σ_s[1+(c/σ_s)d]；其中，a,b,c,d根据已有参数使用最小二乘法拟合得来。

在一具体的实例中，所述绘制完整的本构模型具体是指：采用多阶段模型来描述铝合金搅拌摩擦焊对接接头应力-应变曲线，建立模型所需要的关键参数有：应力的部分实测值、应变的部分实测值、杨氏模量，模型的形式如下：

其中：

σ为输入应力；

σ_i为模型第i段数据中的最大实测应力；

σ_ki为模型第i段数据中部某一实测应力；

ε_M为输出应变，其下标M表示使用模型的阶段数；

ε_i为模型第i段对应的最大实测应变；

E_i-1为模型第i段所对应的名义模量，其中E₀为杨氏模量，其余名义模量由上述计算公式得出；

n_i为模型第i段所对应的名义硬化指数；

将通过拉伸试验获得的所需要的关键参数E₀、σ_i、σ_ki及ε_i带入到模型中，输入应力即可获得相应的预测应变，以此建立本构模型，得到应力-应变关系。

在一具体的实例中，为了方便使用及高精度的需求，所述M可取3，即可取三阶段模型建立用来描述铝合金搅拌摩擦焊对接接头应力-应变曲线；所述σ₁可取名义屈服应力；所述σ_ki可取残余应变为0.1％对应的证明应力；所述σ₂可取残余应变为2％对应的证明应力；所述σ_k2可取残余应变为1％对应的证明应力；所述σ₃可取极限抗拉应力；所述σ_k3可取残余应变为2％对应的证明应变与极限抗拉应变的均值对应的证明应力。

在具体实现中，参见图2：选择M＝1，2，3建立6061-T6铝合金对接接头的本构模型。

1)选用两个6061-T6铝合金板进行对接焊接任务，板厚为16mm，焊接时选用参数如：锥形三平面螺纹搅拌头，焊接时倾角2°，横轴前进速度420mm/min，主轴转速100rpm，记录上述名称，并以6061-T6记录材料类别。

2)根据《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1-2010)的要求，使用冷切割技术从平板上取对接接头试样，进行拉伸试验。

3)将拉伸试验采集到的位移-荷载数据转换为应力-应变数据，根据数据计算弹性模量E₀。M＝1时，选取极限抗拉应力作为σ₁，选取残余应变为0.2％对应的名义屈服应力作为σ_k1；M＝2时，选取残余应变为0.2％对应的名义屈服应力作为σ₁，选取残余应变为0.1％对应的名义屈服应力作为σ_k1，选取极限抗拉应力作为σ₂，选取残余应变为2％对应的名义屈服应力作为σ_k2；M＝3时，选取残余应变为0.2％对应的名义屈服应力作为σ₁，选取残余应变为0.1％对应的名义屈服应力作为σ_k1，选取残余应变为2％对应的名义屈服应力作为σ₂，选取残余应变为1％对应的名义屈服应力作为σ_k2，选取极限抗拉应力作为σ₃，选取残余应变为2％对应的应变与极限抗拉应变的均值对应的证明应力作为σ_k3。分别带入到M＝1，2，3时的多阶段本构模型预测。即建立3种不同阶段的6061-T6铝合金对接接头的本构模型。模型预测数据及效果见表1，表2，表3：

表1

表2

表3

在具体实现中，参见图3：本实施例示范选择M＝3建立6061-T6铝合金对接接头的本构模型。

(1)选用两个6061-T6铝合金板进行对接焊接任务，焊接时选用参数如：锥形三平面螺纹搅拌头，焊接时倾角2°，横轴前进速度650mm/min，主轴转速300rpm，记录上述名称，并以6061-T6记录材料类别；

(2)根据《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T228.1-2010)的要求，使用冷切割技术从平板上取对接接头试样，进行拉伸试验；

(3)将拉伸试验采集到的位移-荷载数据转换为应力-应变数据，根据数据计算弹性模量E₀，选取残余应变为0.2％对应的名义屈服应力作为σ₁，选取残余应变为0.1％对应的应力作为σ_k1，选取残余应变为2％对应的证明应力作为σ₂,选取残余应变为1％对应的证明应力作为σ_k2,选取极限抗拉应力作为σ₃,选取残余应变为2％对应的应变与极限抗拉应变的均值对应的证明应力作为σ_k3；

(4)将M＝3,以及试验实测计算得来的E₀，σ₁，σ_k1，σ₂，σ_k2，σ₃，σ_k3带入到模型中，建立6061-T6铝合金对接接头在该焊接参数下的本构模型；

(5)更换焊接参数，重复上述1)-4)步骤，给出σ₁，σ_k1，σ₂，σ_k2，σ₃，σ_k3的预测方程，其中E₀，σ₁，σ₃取不同焊接参数的均值，σ_k1，σ₂，σ_k2，σ₃，σ_k3按σ_i＝σ_s+a；σ_ki＝σ_s+b计算；将上述数据及预测公式统一保存在数据库中；

(6)预测本构时，有三种预测方式，分为全部采用试验数据预测，即对于曾经输入过的焊接参数读取数据库中相应焊接参数的E₀，σ₁，σ_k1，σ₂，σ_k2，σ₃，σ_k3带入到M＝3时的多阶段本构模型预测；对于尚未输入的焊接参数读取预测方程预测的E₀，σ₁，σ_k1，σ₂，σ_k2，σ₃，σ_k3带入到M＝3时的多阶段本构模型预测，需要注意的是，在此种情况下，E₀，σ₁和σ₃的预测方式分别为过去输入数据中相应的E₀，σ₁和σ₃的平均值。若已有部分实测数据，如已知E₀，σ₁，σ₃但未知σ_k1，σ₂，σ_k2，σ_k3时也可对已知值采用实测值，对未知值采用预测方程计算，再带入到M＝3时的多阶段本构模型预测；

(7)使用预测方程预测的E₀，σ₁，σ_k1，σ₂，σ_k2，σ₃，σ_k3作为6061-T6铝合金对接接头忽略焊接参数差异的本构模型。

实施例2

为了实现上述目的，本实施例还提供了一种铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的应用，所述铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型用于在有限元CAE进行仿真模拟，具体包括以下步骤：

A1：在同一块焊接板附近的区域取矩形维氏硬度试样，根据《GB/T4340.2-2012金属材料维氏硬度试验》的要求，在垂直焊接方向的一侧进行打磨和抛光，进行维氏硬度试验；

A2：在打磨和抛光的一侧，沿着矩形试验长度的方向，分别在边缘和中心处进行连续测量，测量尽量保证在一条直线上；

A3：将不稳定硬度的区域的外侧点视为受到焊接影响的边缘点，判断不稳定的规则可以设置为超过一定值后变化浮动减小在一个具体的值附近波动，当些边缘点外侧维氏硬度测量的结果与普通铝合金基本一致，说明这些区域受到焊接影响的程度可以忽略，故这些边缘点为硬度恢复点，使用平滑的曲线连接这些点，绘制铝合金搅拌摩擦焊对接接头区域；

A4：在建立CAE模型时，对铝合金搅拌摩擦焊对接接头区域输入所述铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型，对铝合金搅拌摩擦焊对接接头区域之外的区域输入常规铝合金本构模型。

本实施例实现了在CAE模拟时对焊接板件或者其他形式的构件进行划分区域，在不同的区域使用铝合金搅拌摩擦焊对接接头或者铝合金的本构。

本实施例的具体使用情况示例：某建筑设计院设计人员计划在某大跨度建筑的屋架部位使用挤压成型的铝合金屋架，由于所需结构跨度太大，挤压成型设备吨位有限，无法加工出所需尺寸的构件，这时，设计人员选择使用搅拌摩擦焊接将挤压成型的构件焊接在一起，使用焊接后的构件制作屋架，但搅拌摩擦焊接性能受到过多的因素(如材料，焊接参数)干扰，规范中只会如屈服强度，极限强度等等的关键参数，他要在有限元分析中进行数值模拟研究材料在一种工况下的性能变化，而有限元分析需要的数据是应力-应变曲线上的点，只靠规范中给出的参数不能进行计算。本实施例的本构模型可以使用这些参数将参数外的数据表示出来，来实现一个在有限元模型中将焊接接头的应力-应变性质进行表示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：进行拉伸试验，对不同材料以及不同焊接参数的铝合金搅拌摩擦焊对接接头进行测试，并记录材料和焊接参数；

S2：根据试验结果获得关键参数，关键参数包括建立本构模型所需的杨氏模量E₀、部分应力和部分应变；

S3：根据精度需求和本构范围需求，将本构模型划分M阶段；

S4：利用关键参数和M阶段模型，绘制完整的本构模型；

S5：将绘制的本构模型、相关的材料和焊接参数输入到模型库中；

S6：对于相同材料的输入关键参数，建立预测方程；

S7：当需要提取本构模型时，对于使用已有的材料和焊接参数，通过模型库中对应的实测关键参数，绘制应力-应变曲线；对于使用已有的材料但尚未输入的焊接参数，可以通过模型库中相同材料建立的预测方程来预测关键参数，并绘制应力-应变曲线。

2.根据权利要求1所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法，其特征在于，所述绘制完整的本构模型具体是指：采用多阶段模型来描述铝合金搅拌摩擦焊对接接头应力-应变曲线，建立模型所需要的关键参数有：应力的部分实测值、应变的部分实测值、杨氏模量，模型的形式如下：

其中：

σ为输入应力；

σ_i为模型第i段数据中的最大实测应力；

σ_ki为模型第i段数据中部某一实测应力；

ε_M为输出应变，其下标M表示使用模型的阶段数；

ε_i为模型第i段对应的最大实测应变；

E_i-1为模型第i段所对应的名义模量，其中E₀为杨氏模量，其余名义模量由上述计算公式得出；

n_i为模型第i段所对应的名义硬化指数；

将通过拉伸试验获得的所需要的关键参数E₀、σ_i、σ_ki及ε_i带入到模型中，输入应力即可获得相应的预测应变，以此建立本构模型，得到应力-应变关系。

3.根据权利要求2所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法，其特征在于，为了方便使用及高精度的需求，所述M可取3，即可取三阶段模型建立用来描述铝合金搅拌摩擦焊对接接头应力-应变曲线；所述σ₁可取名义屈服应力，即σ₁＝σ_s；所述σ_k1可取残余应变为0.1％对应的证明应力；所述σ₂可取残余应变为2％对应的证明应力；所述σ_k2可取残余应变为1％对应的证明应力；所述σ₃可取极限抗拉应力；所述σ_k3可取残余应变为2％对应的证明应变与极限抗拉应变的均值对应的证明应力。

4.根据权利要求1所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法，其特征在于，所述不同材料指的是铝合金牌号以及供货状态不同。

5.根据权利要求1所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法，其特征在于，所述不同焊接参数指的是搅拌头种类、横轴前进速度、主轴转速的不同。

6.根据权利要求1所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法，其特征在于，所述模型库记录已有材料和焊接参数对应的本构关系。

7.根据权利要求6所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法，其特征在于，所述模型库中记录相同材料所有焊接参数的输入关键参数，以此建立关键参数的预测方程。

8.根据权利要求6所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的建立方法，其特征在于，所述关键参数的预测方程选择屈服强度σ_s为自变量，使用形式如下的预测方程：σ_i＝σ_s+a；σ_ki＝σ_s+b或σ_i＝σ_s[1+(a/σ_s)b]；σ_ki＝σ_s[1+(c/σ_s)d]；其中，a,b,c,d根据已有参数使用最小二乘法拟合得来。

9.一种如权利要求1-8任一所述的铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型的应用，其特征在于，所述铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型用于在有限元CAE进行仿真模拟，具体包括以下步骤：

A1：在同一块焊接板附近的区域取矩形维氏硬度试样，根据《GB/T4340.2-2012金属材料维氏硬度试验》的要求，在垂直焊接方向的一侧进行打磨和抛光，进行维氏硬度试验；

A2：在打磨和抛光的一侧，沿着矩形试验长度的方向，分别在边缘和中心处进行连续测量，测量尽量保证在一条直线上；

A3：将不稳定硬度的区域的外侧点视为受到焊接影响的边缘点，判断不稳定的规则可以设置为超过一定值后变化浮动减小在一个具体的值附近波动，当这些边缘点外侧维氏硬度测量的结果与普通铝合金基本一致，说明这些区域受到焊接影响的程度可以忽略，故这些边缘点为硬度恢复点，使用平滑的曲线连接这些点，绘制铝合金搅拌摩擦焊对接接头区域；

A4：在建立CAE模型时，对铝合金搅拌摩擦焊对接接头区域输入所述铝合金搅拌摩擦焊对接接头本构模型，对铝合金搅拌摩擦焊对接接头区域之外的区域输入常规铝合金本构模型。