基于fluent的7022鋁合金攪拌摩擦焊接過程數(shù)值模擬與材料流動分析

1、基于FLUENT的7022鋁合金攪拌摩擦焊接過程數(shù)值模擬與分析摘要：鋁合金攪拌摩擦焊接焊縫區(qū)域金屬流是單相流。本文針對這種單相流攪拌摩擦焊接過程應(yīng)用大型計算流體動力學(xué)（CFD）軟件FLUENT進行了數(shù)值模擬與分析，得到其三維流場。根據(jù)流場得到的相關(guān)結(jié)果可以直觀地觀察焊縫區(qū)塑性金屬流動形態(tài)與軌跡，為探究與揭示攪拌摩擦焊接過程中焊縫區(qū)塑性金屬流變機理提供參考。關(guān)鍵字：攪拌摩擦焊；數(shù)值分析；三維流場；FLUENTNumericalSimulationandAnalysisofFrictionStirWeldingProcessofAluminiumAlloy7022BasedonFLUENTDONG

2、Xuewei1,LIXiangfeng1,ZUODunwen1,andWANGHongfeng1、DONGChunlin2、LIGuang2（1CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticas,Nanjing210016,P.R.China；2）Abstract:Duringfrictionstirweldingprocessofaluminiumalloy,thepalsticmetalflowintheweldisakindofsingle-phaseflow

3、.Inthispaper,aimingatnumericalsimulationandanalysisthiskindofsingle-phaseflow,compulationalfluiddynamics（CFD）commercialsoftwareFLUENTwasapplicatedanda3-Dflowfiledwasgotten.Accordingtotherelatedresultsofflowfield,wecouldwatchtheflowpatternsandtracksofthepalsticmetalflowvisually.Itcontibutesmuchtostud

4、yanddiscoverthemetalflowmechanismintheweldoffrictionstirweldingprocess.Keywords:frictionstirweldingprocess；numericalanalysis；3-Dflowfield;FLUENT0前言對于攪拌摩擦這種新型焊接技術(shù)，由于是被焊材料之間的直接連接，不需要外加添加劑，因而被攪拌部分材料的流動性能對于焊后焊縫組織機械力學(xué)性能有著重要影響。目前，國內(nèi)外學(xué)者對焊接過程金屬流變的研究主要有兩種方法：實驗法和數(shù)值分析法。由于采用有限元軟件進行數(shù)值分析相比較實驗法具有的一系列優(yōu)勢，如節(jié)省人力、物力，周期

5、短等，因而備受青睞。FLUENT是一款大型商用計算流體動力學(xué)（CFD）軟件，能夠用來模擬復(fù)雜流體流動及傳熱分析。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而FLUENT能達到最佳的收斂速度和求解精度。此外，靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使其在航空航天、汽車、機械等領(lǐng)域被廣泛采用。所以鑒于FLUENT在這方面所具有的優(yōu)勢，本文運用FLUENT建立分析焊接過程塑性金屬流動的有限元模型，進一步求解計算得到其流場相關(guān)結(jié)果，直觀形象地觀察焊縫處塑性金屬流動，為進一步探究與揭示攪拌摩擦焊接過程中焊縫區(qū)塑性金屬流變機理提供參考。三維流場模型建立1.1有限元模型根據(jù)實驗中對

6、10mm厚7022鋁合金板的攪拌摩擦焊接時板材尺寸以及所使用的攪拌頭結(jié)構(gòu)和尺寸（攪拌針為錐形且表面帶螺紋，最大直徑D_probe=9mm,最小直徑d_probe=6mm，攪拌針長度L_probe=10mm,軸肩直徑D_shoulder=18mm。），仿真時所建立的模擬區(qū)域尺寸30mmX35mmX10mm。由于所使用的攪拌頭是帶螺紋的，在fluent前處理模塊Gambit中直接建模不是很方便，所以借用成熟的三維造型軟件UnigraphicsNX5.0建立起物理模型后再導(dǎo)入到Gambit中。攪拌區(qū)域的物理模型如圖1所示。對應(yīng)的攪拌頭（由軸肩與攪拌針組成）模型如圖2。部分圖1攪拌區(qū)域三維物理模型沂分

7、精度后，采用四攪拌針攪拌頭模圖2扌在fluent軟件的前處理模塊Gambit中建立其物理模型。確定網(wǎng)面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)對其進行網(wǎng)格劃分，并且對攪拌區(qū)域進行網(wǎng)格進行細化，得到網(wǎng)格化的有限元模型如圖3所示。對應(yīng)的攪拌頭網(wǎng)格化模型見圖4。圖3攪拌區(qū)域有限元模型圖4攪拌頭網(wǎng)格化模型1.2求解條件設(shè)置求解條件的設(shè)置是模擬焊接過程的一個重要要素，其設(shè)置的正確與否直接影響到fluent求解時是否收斂以及流場結(jié)果的合理性。由于攪拌摩擦焊接過程情況比較復(fù)雜，涉及傳熱、塑性變形和組織相變等，這些實際情況在fluent中難以一一表達，所以在求解條件的設(shè)置時結(jié)合實際情況并做些合理的假說以達到與實際相符合的期望結(jié)果。

8、具體設(shè)置情況如下：1、初始條件攪拌摩擦焊接過程包括旋轉(zhuǎn)、插入、焊接以及離開四個階段。本文僅討論攪拌摩擦焊焊接這個階段，即準穩(wěn)態(tài)過程，在攪拌頭周圍金屬塑性流動的形態(tài)與材料流變行為。在攪拌摩擦焊的焊接階段，也就是準穩(wěn)態(tài)過程中，焊縫塑性金屬的溫度不超過0.8Tm,而7075鋁合金的熔點T范圍為475C635C,并且7075鋁合金在高溫下的流動應(yīng)力受溫m度的影響很小，因此在模擬時設(shè)定模型的初始溫度為400C。并且取在此溫度下材料密度取p2.7x103kg/m3。模擬中7022鋁合金流動屬性參數(shù)參照文獻。2、邊界條件設(shè)置如圖5所示，攪拌摩擦焊流場分析模型共有5個邊界面，分別為速度進口面、壓力出口面、軸肩

9、壁面、攪拌針壁面以及其他邊界界面。速度進口面設(shè)定其速度為攪拌針的前進速度。壓力出口面，由于fluent是相對操作壓力計算的，所以設(shè)定其相對壓力為0。軸肩壁面和攪拌針壁面，將其定義為滿足無滑移邊界條件（壁面切向和法向速度為零）的旋轉(zhuǎn)壁面，旋轉(zhuǎn)速度等于攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度。其他邊界界面默認設(shè)置為靜止壁面。焊縫塑性金屬就在這個由五個邊界面所構(gòu)成的密閉的箱體中旋轉(zhuǎn)流動。依據(jù)焊接時采用的工藝參數(shù)：攪拌針的前進速度v=60mm/min=lxl0-3m/s，攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度e=750r/min=39.25rad/s等，可知：進口面速度大小就等于攪拌針前進速度v=60mm/min=lx10-3m/s；軸肩邊緣的旋

10、轉(zhuǎn)線速度v=exD_shoulder/2=39.25rad/sx0.009m=0.353m/s；攪拌針大端面的邊緣旋轉(zhuǎn)線速度v=exd_probe/2=39.25rad/sx0.0045m=0.1766m/s,攪拌針小端面的邊緣旋轉(zhuǎn)線速度v=exD_probe/2=39.25rad/sx0.003m=0.1177m/s；圖5流場邊界面示意圖Residualsccntinuityx-velocityy-velocity工-*已locitkwosilon1e-D5IIIIIIIII02550751DD12515D175200225Iterations圖6迭代結(jié)果圖1.3迭代計算將在Gambit中建

11、立的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到fluent之后，檢查網(wǎng)格、轉(zhuǎn)換單位、設(shè)定材料屬性并參照上述進行求解條件設(shè)置后，選取RNG（重整化群）k吒計算模型，給定求解精度和迭代次數(shù)進行迭代求解，大約經(jīng)過200次迭代求解后結(jié)果收斂，迭代結(jié)果圖如下圖6所示。三維流場結(jié)果與分析2.1焊縫區(qū)塑性金屬流動速度矢量圖下圖7、8為流場求解結(jié)果。其中圖7為焊縫整體塑性金屬流動速度矢量圖，圖8焊縫截面塑性金屬流動矢量圖。對于攪拌摩擦焊，被焊材料是在攪拌頭的攪拌下發(fā)生旋轉(zhuǎn)流動從而達到材料的轉(zhuǎn)移形成焊縫且從矢量圖可以看出，焊縫處各點流動速度不一樣：距離焊縫表面越近，速度值越大，說明這部分材料流動得越充分。整個焊縫區(qū)域塑性金屬流動沿著焊縫厚

12、度自相而下呈逐漸減弱的趨勢。此外，基于粘塑性假說，攪拌針周圍材料被認為是粘結(jié)于其表面并隨之一起旋轉(zhuǎn)，所以這部分金屬流動較為充分，從速度標值圖可知其速度值略小于攪拌針表面旋轉(zhuǎn)線速度。J0I*4I9V4l耽Xl2JObDIJ13*511MI17T*fl|24MI4i3-y*-3mJ13*4114MI3M12HMI圖7焊縫整體塑性金屬流動速度矢量圖圖8焊縫截面塑性金屬流動矢量圖2.2焊縫區(qū)塑性金屬流動行態(tài)圖9所示的是焊縫區(qū)塑性金屬流線圖，圖10是其俯視圖。圖中材料是由左向右流動(與攪拌頭前進方向相反)，攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向為順時針。從流線圖中可以直觀地看到被焊材料的流動軌跡。在攪拌頭的攪拌下，攪拌針周圍的

13、塑性化材料隨攪拌針一起旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過數(shù)周旋轉(zhuǎn)后停滯于攪拌頭后方填補攪拌過程中產(chǎn)生的瞬時空腔，形成焊縫。圖9焊縫區(qū)塑性金屬流線圖圖10焊縫區(qū)塑性金屬流線圖俯視圖結(jié)論采用fluent軟件建立攪拌摩擦焊接流場有限元分析模型，迭代求解得到三維流場結(jié)果。通過求解結(jié)果顯示的金屬流動速度矢量圖，可以很直觀地觀察到焊縫區(qū)塑性化金屬流動性情況：沿著焊縫厚度自相而下呈逐漸減弱的趨勢。此外，通過求解得到的金屬流線圖，可以很直觀地觀察焊縫區(qū)塑性金屬流動行態(tài)及其流動軌跡。參考資料1PaulA.Colegrove,HughR.Shercliff.3-DimensionalCFDmodelingofflowroundathreadedfrictionstirweldingtoolprofile.JournalofMaterialsProcessingTechnology169(2005);320-327.2R.S.MishraandZ.Y.Ma:Frictionstirweldingandprocessing.materialscienceandengineeringR,50(2005)1-78.沈洋，何曉梅，呂爽等.攪拌摩擦焊數(shù)值模擬的現(xiàn)狀.材料導(dǎo)報,2007,5(21