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基于Ansys的FSW构件时效成形模拟与回弹研究

作　者: 左都全（左小军）
导　师: 黎俊初
学　校: 南昌航空大学
专　业: 航空宇航制造工程
关键词: 蠕变时效成形 ANSYS 搅拌摩擦焊回弹 2A12铝合金
分类号: V262.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

用铝合金制备的整体壁板替代传统铆接方式装配的飞机结构，对于飞机的减重具有极好的应用前景。传统的整体壁板采用铣削加工而成，铣削后的整体壁板在成形过程中，其回弹极难控制。随着蠕变时效成形工艺的成熟，将该技术应用到整体壁板成形上，对提高其成形质量具有十分重要的意义。在现代飞机结构设计中，飞机上所使用的大量整体壁板构件逐渐变得日趋复杂。搅拌摩擦焊技术（FSW）是一种全新的加工工艺，通过控制焊接参数来制备高质量的整体焊接壁板，不仅减小了铣削加工带来的不必要的材料浪费，而且提高了整体壁板的结构效率。因此，深入开展基于FSW焊接的带筋壁板结构件的蠕变时效成形的研究，对带筋类零件的低成本制造具有十分重要的理论意义和应用价值。本文以2A12铝合金板料为研究对象，在CSS-3905试验机进行单向蠕变拉伸试验，确定材料的蠕变本构模型。并在ANSYS中建立数字模型，验证蠕变时效后的数字模拟结果与实验结果的一致性。结果发现，所建立的全新的本构方程能准确地描述板材的蠕变时效成形过程。实验研究与模拟计算分析结果表明，本文创建立的蠕变本构方程能准确地描述板料的应力应变关系。基于有限元软件ANSYS平台，利用本文创建的本构方程，设计数值算法并编制Fortran程序，分别创建了非焊接整体壁板和带焊接单元的整体壁板有限元模型，并比较了两种模型的异同。利用有限元方法对焊接壁板的蠕变时效成形回弹问题进行了深入研究，分析了不同蠕变时效参数（时间、温度、模具曲率半径等）对焊接整体壁板在回弹后成形质量的影响规律。为了验证焊接壁板蠕变时效成形有限元分析模型的可靠性，设计制作了T型搅拌摩擦焊焊接筋板的工装夹具，利用FSW方法制备了焊接整体壁板试样。并在不同时效条件下，将焊接件置于气压时效成形工装中进行蠕变时效成形试验。结果表明：数值模拟的焊接壁板时效成形回弹量与实验结果吻合度较高，因此可以认为，有限元模拟为时效成形模具的补偿量计算及模具的精确设计提供了一种有效的方法。本文的工作对2A12合金焊接壁板时效成形的工程应用具有一定的参考价值。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第1章绪论  11-26
  1.1 选题背景与意义  11-13
  1.2 搅拌摩擦焊技术  13-18
    1.2.1 搅拌摩擦焊技术原理  13-14
    1.2.2 搅拌摩擦焊的优缺点  14
    1.2.3 FSW 焊接头的组织特征  14-15
    1.2.4 FSW 的研究现状  15-17
    1.2.5 FSW 技术的工业化应用  17-18
  1.3 整体壁板时效成形技术  18-22
    1.3.1 CAF 技术原理及特点  18-19
    1.3.2 传统时效成形工装  19-20
    1.3.3 热压罐时效成形工装及应用  20-22
  1.4 F SW 焊接整体壁板回弹研究与发展趋势  22-25
  1.5 研究内容  25-26
第2章焊接壁板整体时效成形试验及工艺研究  26-41
  2.1 试验材料  26
  2.2 技术路线及试验流程  26-28
  2.3 试验设备  28
  2.4 气压加载焊接壁板件复合时效工艺试验  28-35
    2.4.1 FSW 工装夹具及实验设备  28-30
    2.4.2 搅拌头  30-31
    2.4.3 筋板件试样的制备  31
    2.4.4 气压加载试验工装设备  31-34
    2.4.5 蠕变时效步骤  34-35
  2.5 2A12 铝合金力学拉伸试验  35-36
  2.6 回弹率的测量与计算  36-37
  2.7 时效成形试验结果分析  37-40
  2.8 本章小结  40-41
第3章 FSW 焊接壁板的时效理论及本构模型推导验证  41-54
  3.1 蠕变时效理论假设  41-42
  3.2 弹塑性理论  42-44
  3.3 蠕变理论及本构模型的导出  44-47
  3.4 室蠕变拉伸试验及本构参数的确定  47-52
    3.4.1 蠕变拉伸试验  47-48
    3.4.2 数据处理方法  48-50
    3.4.3 数据拟合及材料常数的确定  50-52
  3.5 本章小结  52-54
第4章拉伸试件的蠕变时效有限元分析  54-64
  4.1 有限元分析方法简介  54-55
  4.2 有限元 AN S Y S 软件简介  55-59
    4.2.1 有限单元介绍  56-59
  4.3 有限元分析蠕变拉伸试验及数值验证  59-62
    4.3.1 有限元计算模型的建立  59-60
    4.3.2 数字验证与分析  60-62
  4.4 本章小结  62-64
第5章无焊缝与含 T 型焊缝的筋壁件时效成形有限元分析  64-82
  5.1 仿真模型的功能模块设置  64-67
  5.2 计算模型的建立  67-69
  5.3 非焊接壁板有限元分析  69-71
    5.3.1 非焊接壁板的蠕变时效回弹模拟  69-71
  5.4 焊接整体壁板的蠕变时效回弹过程模拟分析  71-80
    5.4.1 等效应力分析  71-73
    5.4.2 节点应力分析  73-75
    5.4.3 焊接壁板的应变云图分析  75-76
    5.4.4 焊接壁板沿不同路径的应变曲线分析  76-80
  5.5 非焊接与焊接整体壁板的回弹结果比较  80-81
  5.6 本章小结  81-82
第6章不同蠕变时效参数下的回弹模拟  82-90
  6.1 时效时间不同时的回弹模拟及试验对比  82-83
  6.2 不同时效温度下的回弹模拟及试验对比  83-85
  6.3 不同模具半径条件下的回弹模拟  85-86
  6.4 其它参数下数字模拟焊接壁板的回弹影响  86-89
  6.5 本章小结  89-90
第7章结论与展望  90-92
  7.1 主要结论  90-91
  7.2 后续研究工作的展望  91-92
参考文献  92-96
攻读学位期间发表文章  96-97
致谢  97-98

基于Ansys的FSW构件时效成形模拟与回弹研究

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