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钛—钢板材爆炸焊接工艺优化与数值模拟

作　者: 殷先伟
导　师: 彭金华；饶国宁
学　校: 南京理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 爆炸焊接钛-钢复合材料工艺优化数值模拟
分类号: TG456.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 167次
引　用: 2次
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内容摘要

钛-钢爆炸复合材料因其具有钛的优良耐腐蚀性能和钢的结构强度,且结合面的结合强度高,在军工、原子能以及化工领域得到广泛的应用。然而,影响钛-钢爆炸复合材料质量的因素较多,工艺条件是影响其质量的主要因素。本文主要从爆炸焊接参数理论、实验分析和数值模拟三个方面,对钛-钢爆炸复合材料的工艺条件进行了研究。得出如下结论：1.通过理论计算钛(TA2)／钢(Q345B)爆炸焊接参数,给出爆炸复合窗口,为合理选择爆炸焊接工艺条件提供了理论依据。2.通过金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)和拉伸、剪切力学性能试验,分析了不同工艺条件下TA2／Q345B爆炸复合材料结合界面的微观组织特征和力学性能。结果表明：在一定范围内,基、复板间距一定的情况下,复合材料结合界面的波形参数随装药量的减小而减小：在一定范围内,装药量一定的情况下,复合材料结合界面的波形参数随基、复板间距的增大而增大；在一定范围内,装药量一定的情况下,复合材料界面结合强度随基、复板间距的增大经历了一个由小到大再到小的过程；而同样的,在一定范围内,基、复板间距一定的情况下,复合材料界面结合强度随着装药量的减小也经历了一个由小到大再到小的过程；结合界面附近的组织显微硬度较两侧基体内的硬度高,并且随着与界面距离的增加,两侧基体内的显微硬度逐渐降低。通过设计正交实验确定实验方案,并在对实验结果分析的基础上给出TA2／Q345B爆炸复合材料的优化工艺条件。3.采用有限元程序ANSYS／LS-DYNA,对不同工艺条件下钛-钢爆炸焊接过程进行了数值模拟。获得了爆炸焊接过程中复板运动速度、碰撞区域压力分布、最大等效塑性应变等数据,并与理论计算结果进行了比较。结果表明,爆炸焊接数值模拟结果与理论计算结果符合良好,所建立的模型准确、方法合适、定义接触可靠,ANSYS／LS-DYNA可较好的模拟爆炸焊接过程。通过数值模拟的方法可方便再现爆炸复合过程、较容易地改变工艺参数,为爆炸焊接工艺参数的优化提供了参考。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
1 绪论  10-17
  1.1 课题研究背景  10-11
  1.2 爆炸焊接的特点及其优缺点  11-12
  1.3 爆炸焊接的研究状况  12-16
    1.3.1 爆炸焊接的理论研究  12-14
    1.3.2 爆炸焊接的新应用研究  14
    1.3.3 爆炸焊接的数值模拟研究  14-15
    1.3.4 爆炸焊接工艺研究  15-16
  1.4 本文的主要工作和研究意义  16-17
2 爆炸焊接窗口理论及参数选择  17-25
  2.1 引言  17-18
  2.2 爆炸焊接参数理论  18-20
    2.2.1 炸药爆速的确定  18-20
  2.3 复板飞行速度  20-21
    2.3.1 最大复板飞行速度  20
    2.3.2 最小复板飞行速度  20-21
  2.4 最佳复板飞行速度  21
  2.5 基、复板间距  21-22
  2.6 比装药量  22-23
  2.7 理论爆炸焊接窗口的确定  23-24
  2.8 实验爆炸焊接工艺条件的选择  24
    2.8.1 单位面积装药量的选择  24
    2.8.2 基、复板间距参数的选择  24
    2.8.3 爆炸焊接实验方案的确定  24
  2.9 本章小结  24-25
3 钛-钢爆炸复合工艺优化的实验研究  25-31
  3.1 实验材料  25
  3.2 爆炸焊接过程  25-28
    3.2.1 TA2/Q345B爆炸复合专用炸药的制备  25
    3.2.2 TA2/Q345B爆炸复合材料的制备  25-28
  3.3 分析检测  28-31
    3.3.1 界面结合强度的力学性能测试  28-29
    3.3.2 界面微观组织结构及成分分析测试  29-31
4 实验结果分析及爆炸焊接工艺优化  31-42
  4.1 引言  31
  4.2 TA2/Q345B爆炸复合板力学性能实验结果  31-33
  4.3 金相观察  33-36
  4.4 SEM观察及断口特征分析  36-39
  4.5 显微硬度测试  39-40
  4.6 工艺优化  40
  4.7 本章小结  40-42
5 钛-钢爆炸焊接的数值模拟  42-57
  5.1 引言  42
  5.2 ANSYS/LS-DYNA简介  42-44
    5.2.1 ANSYS/LS-DYNA程序主要算法  43-44
    5.2.2 沙漏控制  44
  5.3 三维模型的建立  44-45
  5.4 爆炸焊接过程的数值模型  45-47
    5.4.1 钛和钢的材料模型和状态方程  45-47
    5.4.2 炸药的材料模型和状态方程  47
  5.5 定义接触  47-48
  5.6 数值模拟结果与讨论  48-56
    5.6.1 复板运动速度  49-51
    5.6.2 碰撞点区域的压力场  51-52
    5.6.3 不同装药量下的爆炸焊接数值模拟  52-54
    5.6.4 不同基、复板间距的爆炸焊接数值模拟  54-56
  5.7 本章小结  56-57
6 结论与展望  57-59
  6.1 结论  57-58
  6.2 展望  58-59
致谢  59-60
参考文献  60-63

钛—钢板材爆炸焊接工艺优化与数值模拟

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