基于Ansys的FSW_CAF復(fù)合技術(shù)流程分析與評述

左都全 趙英杰 宋明成 宋淵明

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基于Ansys的FSW_CAF復(fù)合技術(shù)流程分析與評述

左都全1，2趙英杰2宋明成2宋淵明2

（1．重慶三峽學(xué)院現(xiàn)代機械結(jié)構(gòu)材料工程技術(shù)中心，重慶萬州 404100）（2．重慶三峽學(xué)院機械工程學(xué)院，重慶萬州 404100）

Ansys強大的應(yīng)力應(yīng)變與蠕變時效非線性分析功能為具有焊接結(jié)構(gòu)的壁板模擬分析提供了平臺，尤其是參數(shù)化設(shè)計APDL語言的應(yīng)用為焊接模擬關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)提供了條件．本文嘗試將攪拌摩擦焊（FSW）新工藝與蠕變時效成形（CAF）技術(shù)相結(jié)合，以2A12薄壁筋板為例，描述數(shù)字模型建立過程與殘余應(yīng)力模擬分析流程，探討其成形過程及其實現(xiàn)方法，并對攪拌摩擦焊與時效成形相結(jié)合的工藝進(jìn)行了展望，為后續(xù)深入研究ANSYS環(huán)境下的攪拌摩擦焊_蠕變時效構(gòu)件進(jìn)行相關(guān)數(shù)值模擬與殘余應(yīng)力分析提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)．

攪拌摩擦焊；時效成形；殘余應(yīng)力；回彈；ANSYS

1．引 言

當(dāng)前，我國航空航天產(chǎn)品大量使用變形鋁合金（如2A12，2A14、7050等），特別是大飛機項目成立后，為了滿足輕型化、新型化和低成本的要求，鋁合金整體壁板成形顯得尤為突出．目前為止，已經(jīng)發(fā)展出不同系列和品種的鋁合金，如：航空航天類鋁合金、裝甲類鋁合金、以鋁基為主的復(fù)合材料等．對于鋁合金整體壁板的焊接，傳統(tǒng)方法是熔化焊工藝，該工藝是一種材料局部熔化和凝固的微冶煉過程．對于綜合性能要求較高的鋁合金材料，焊接工藝連接不同板材中不推薦甚至禁止使用熔焊[1]．近幾年來，新型的固態(tài)焊接方法——攪拌摩擦焊在輕金屬材料領(lǐng)域得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，其原因在于該法可以焊接所有系列的鋁合金（如表1）．我國在該領(lǐng)域的研究雖然起步較晚，但是發(fā)展很快．目前許多研究機構(gòu)，以及企業(yè)都已拓展了攪拌摩擦焊技術(shù)的研究領(lǐng)域，并將其用于鋼材、合金等高熔點材料的焊接．

表1 不同系列鋁合金材料可焊性對比

系列

100（AL）

2000（Cu）

5000（Mg）

6000（Si）

7000（Zn）

8000（Li）

熔焊

可焊

部分可焊

可焊

可焊

不可焊

不可焊

攪拌摩擦焊（FSW）

可焊

可焊

可焊

可焊

可焊

可焊

大型整體壁板成形技術(shù)是中國大飛機研制的另一核心關(guān)鍵制造技術(shù)[2]．近年來，時效成形作為一種用以成形整體壁板的有效工藝，漸漸在航空領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用．將時效成形工藝引入到飛機結(jié)構(gòu)部件的制備中，尤其是在機身薄壁板，飛機的上、下翼蒙皮，具有整體加強筋的復(fù)雜形狀零件和采用FSW連接的更復(fù)雜、更大型的整體裝配部件上[3]．開展將CAF工藝應(yīng)用于FSW連接的整體筋壁板上的研究，不僅可以有效降低飛機壁板上的各種殘余應(yīng)力，在很大程度上還可大大降低零部件的生產(chǎn)制造成本．

攪拌摩擦焊連接的大型、復(fù)雜整體壁板件，長期在惡劣的環(huán)境下運行，其微觀組織會發(fā)生長大、蠕變等現(xiàn)象，使得材料變脆和力學(xué)性能下降．目前，國外研究人員對壁板的攪拌摩擦焊焊縫處或蠕變時效模型研究大都集中在試驗、損傷計算和微觀組織的觀察上[4]；國內(nèi)展開了對攪拌摩擦焊焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析（如：焊接溫度場和流場模擬）以及適用于不同材料的焊接工具和工藝、焊接接頭的性能及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的研究[5]．隨著攪拌摩擦焊在近幾年的快速發(fā)展，在此基礎(chǔ)上也生成了許多衍生技術(shù)，如復(fù)合熱源攪拌摩擦焊接、攪拌摩擦點焊接等技術(shù)[6]．在此背景下，本論文闡述另一種衍生技術(shù)——攪拌摩擦焊_蠕變時效成形復(fù)合技術(shù)．目前國內(nèi)尚未見到有關(guān)此技術(shù)應(yīng)用于整體壁板成形中的報道．因此，及時開展對焊接壁板時效回彈預(yù)測和基于殘余應(yīng)力下的焊接對整體壁板蠕變影響有一定意義．

2 ANSYS環(huán)境下時效建模過程與回彈描述

2.1 彈塑性本構(gòu)方程的建立

應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線不僅反映了材料的變形應(yīng)力隨著變形條件而變化，也從宏觀上反映了材料的性能與內(nèi)部組織之間的內(nèi)在聯(lián)系．為了準(zhǔn)確預(yù)測2A12鋁合金的蠕變時效過程，首先必須確定的是在最佳溫度下，描述該材料蠕變性能的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系——本構(gòu)方程[7]．通過蠕變拉伸實驗可獲得應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線，它描述了材料的真實應(yīng)力、真實應(yīng)變、真實應(yīng)變速率與時效溫度之間的關(guān)系，定量反映了變形應(yīng)力和變形條件以及材料在微觀組織上性能間的內(nèi)在聯(lián)系，是材料蠕變變形參數(shù)確定的基本依據(jù)[8]．而數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度與所建立的數(shù)學(xué)模型密切相關(guān)．所以，利用材料蠕變率相關(guān)特性，結(jié)合通用全局優(yōu)化法的優(yōu)化算法，擬合出應(yīng)變率與蠕變時間最佳關(guān)系曲線是建立蠕變變形數(shù)字模型的關(guān)鍵．

蠕變變形是一個復(fù)雜的微觀過程．描述蠕變過程的蠕變曲線通常被分為三個階段，即：蠕變的減速階段、蠕變的穩(wěn)態(tài)階段以及蠕變的加速階段[9]．在有限元軟件庫中，針對不同階段選擇合適的本構(gòu)模型，創(chuàng)建模型的假設(shè)，材料、荷載和變形載以及程序中的數(shù)值問題是否適合模型，是獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的關(guān)鍵[10]．在選擇有限元蠕變模型時，根據(jù)陳化理論、時間硬化理論與應(yīng)變強化理論等蠕變理論[11]，本文作了以下考慮：

（1）蠕變時效過程是在低應(yīng)力作用下（低于屈服應(yīng)力）成形的，對于非線性彈-塑性材料（圖1），加載與卸載過程的研究有助于回彈的分析．為了準(zhǔn)確預(yù)測成形件時效后的回彈量，展開對鋁合金焊構(gòu)件的彈塑性分析，選擇出最佳分析方式．

（2）常用的本構(gòu)關(guān)系有2種：唯象本構(gòu)模型[12]與統(tǒng)計本構(gòu)模型．對于工程上常用的一般合金，由于蠕變過程對溫度和應(yīng)變速率較敏感，而且其變形機制相對復(fù)雜，通常采用描述材料蠕變過程的方法是唯象本構(gòu)模型．具體過程是：在實驗中先測量一定的應(yīng)變速率數(shù)據(jù)，然后測量一定溫度范圍內(nèi)的流動應(yīng)力數(shù)據(jù)，最后根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立本構(gòu)方程．

（3）蠕變變形過程中的穩(wěn)態(tài)階段，其蠕變速率是三個階段中最小的，再加上該階段的變形機制較為簡單，因此穩(wěn)態(tài)蠕變速率常常被用來衡量材料抗蠕變變形（加工硬化）的能力，而在以前的工程研究中，大多忽略了此階段．因此，建立第一階段與第二階段的本構(gòu)模型有著很大的工程意義[13]，不可忽視．下面以攪拌摩擦焊連接的2A12薄壁筋板件為例簡以敘述其建模過程．

2.2 焊接單元的蠕變時效建模實例

使用有限元分析軟件Ansys，結(jié)合上一步本構(gòu)模型擬合出的蠕變常數(shù)項，根據(jù)下表2的模型參數(shù)建立如圖2的有限元數(shù)字模型[14]289-328．該模型采用攪拌摩擦焊工藝將筋條與圓板連接，建模時應(yīng)選擇可變形焊接單元MPC184-WELD和具有蠕變特性用于模擬板材和加強筋的材料．

表2 有限元模擬模型主要參數(shù)

溫度（℃）

時間（h）

凹模半徑（R/mm）

壓力（MPa）

板材尺寸（mm）

筋條寬*高（mm）

190

10

1 000

0.5

315*1.5

5*13

焊接壁板件蠕變時效待分析的內(nèi)容較多，其中包括材料非線性問題的分析、幾何非線性問題的分析等．為了在十分復(fù)雜的時效過程中，保證分析計算的準(zhǔn)確性，在Ansys建立蠕變時效分析模型前，還需考慮多種材料特性和分析方法[15]：

（1）具有率相關(guān)蠕變變形行為的材料，會隨時間的變化產(chǎn)生不可恢復(fù)的應(yīng)變，但蠕變過程中的時間尺度跟率相關(guān)塑性相比，要大得多．

（2）蠕變分析過程中會出現(xiàn)塑性響應(yīng)，而塑性具有非保守性與路徑相關(guān)性．荷載施加的順序，以及什么時候發(fā)生塑性響應(yīng)會影響最終結(jié)果．建議方法：把荷載處理成一系列的小增量荷載步或時間步．

（3）塑性準(zhǔn)則的選取能夠準(zhǔn)確反映材料變形方向和應(yīng)力狀態(tài)與屈服點之間的關(guān)系．

（4）Ansys使用隱式和顯式積分二種方法來進(jìn)行蠕變分析．

本例根據(jù)所研究材料在彈-塑性和蠕變的雙重特性作用下，選擇具有包辛格效應(yīng)的雙線性隨動強化（BKIN）材料，采用Von Misses屈服準(zhǔn)則，選擇隱式積分方法，構(gòu)建具有第一階段和第二階段的蠕變方程，分析非線性材料的蠕變行為，為進(jìn)行后面回彈預(yù)測研究打下了基礎(chǔ)．

2.3 時效回彈分析描述

蠕變時效過程分為：彈性加載、蠕變及彈性回彈3個階段[16]．對不同階段等效應(yīng)力及等效蠕變分布情況進(jìn)行分析．利用自行研制的集加熱系統(tǒng)與成形模具于一體的蠕變時效成形裝置（如圖3），采用等尺寸的模具及板料在相同的工藝條件下進(jìn)行試驗驗證，以回彈后零件拱高作比較，根據(jù)下述公式（1）可計算出相對誤差，并與工程允許的誤差范圍進(jìn)行比較[17]．

?=100%×（-?）/? （1）

其中，：相對誤差，模擬值，回彈值，試驗值

采用上述方法建立的蠕變本構(gòu)方程及有限元焊構(gòu)件數(shù)字模型，對模具進(jìn)行過彎量的設(shè)計與回彈補償，精確制造出適合大飛機用的整體壁板具有十分重要的指導(dǎo)性作用．

圖1 時效成形過程的應(yīng)力應(yīng)變路徑

圖3 氣壓工裝整體實物圖

3 Ansys環(huán)境下的FSW殘余應(yīng)力分析流程

攪拌摩擦焊接是一個非常復(fù)雜的過程，同時經(jīng)歷熱耦合和機械攪拌雙重作用．蠕變時效對材料成形精度要求高的復(fù)雜零件極其有效．若想揭示攪拌摩擦焊接處產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對蠕變影響的機理，必須要深入了解基于ANSYS的耦合結(jié)構(gòu)分析原理、建模過程、生死單元技術(shù)及其熱源數(shù)學(xué)模型的建立[18]．在蠕變時效處理后的焊接金屬材料上展開殘余內(nèi)應(yīng)力分析，可以對焊接后材料的殘余應(yīng)力-應(yīng)變分布和蠕變損傷分布進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測，從而減少焊接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能帶來的負(fù)面影響．為更好地了解攪拌摩擦焊接蠕變時效復(fù)合工藝的殘余應(yīng)力分布和焊接壁板的力學(xué)性能，準(zhǔn)確研究殘余應(yīng)力對焊接壁板的蠕變影響程度，選取高溫用焊接壁板殘余應(yīng)力作用下的蠕變時效行為進(jìn)行有限元模擬[19]，并與無焊接殘余應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變時效情況進(jìn)行比較．在此，以上面的實例為例，進(jìn)行熱-應(yīng)力建模及殘余應(yīng)力分析流程闡述．

3.1 熱源模型選取

在進(jìn)行熱分析之前，必須正確選取適合研究的熱輸入數(shù)學(xué)模型[20]．由于攪拌摩擦焊接比較新，有關(guān)計算模型的研究很少．Mcclure[21]等采用古典的Rosenthal解析方法很好地將移動的點熱源和線熱源作為了熱源的輸入對象．Russell等人為了分析FSW焊接的產(chǎn)熱過程，在摩擦焊接的基礎(chǔ)上，采用了現(xiàn)有的移動熱源的數(shù)字分析方法進(jìn)行了模擬[22]．實際上FSW的熱源一部分來自旋轉(zhuǎn)工具在工件上運動而產(chǎn)生的摩擦熱，另一部分熱來自于攪拌針的側(cè)面和旋轉(zhuǎn)的銷子周圍的金屬塑性變形，其過程如圖（4）．

在此，針對三維的攪拌摩擦焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對蠕變時效的影響為重點，可以將此模型分析分為兩部分，即：傳熱分析和焊接過程中的蠕變應(yīng)力分析[23]．為了研究殘余應(yīng)力對蠕變的影響，結(jié)合旋轉(zhuǎn)工具與工件表面的摩擦是主要的，且認(rèn)為熱流的熱傳導(dǎo)是唯一的傳熱方式．基于此，可以選擇Yuh J.Chao和XinhaiQ建立的熱源模型進(jìn)行試驗[24]．

3.2 Ansys焊后殘余應(yīng)力分析方法選取

目前，針對時效處理的鋁合金焊接材料熱分析研究主要方法有二[25]：一是試驗方法，采用應(yīng)力釋放法和無損檢測法來測定殘余應(yīng)力；二是建立了蠕變時效后的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行熱-應(yīng)力順序耦合分析，獲得攪拌摩擦焊接的殘余應(yīng)力分布云圖．雖然有限元數(shù)值模擬分析方法簡單且實用，但其模擬結(jié)果的準(zhǔn)確程度與所使用的本構(gòu)方程密切相關(guān)．對于數(shù)字模型熱應(yīng)力的分析方法，ANSYS軟件庫中提供了三種：

（1）在靜力學(xué)模塊中進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析時，可直接定義節(jié)點的溫度．當(dāng)所有的節(jié)點溫度為已知的定值時，可以直接使用命令BFE、BF或KBF來定義溫度．使用命令時，需要注意的是：在應(yīng)力分析過程中，節(jié)點溫度不是節(jié)點自由度，而是作為體載荷使用．

（2）間接法．首先是進(jìn)行熱分析，其次在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析模塊中，以體溫表載荷的形式施加在將第一步熱分析求得的節(jié)點溫度上．

（3）直接法．通過耦合單元直接得到熱分析與結(jié)構(gòu)分析兩個結(jié)果，需要注意的是耦合單元必須同時具有位移自由度和溫度兩個參數(shù)．

3.3 建立殘余應(yīng)力數(shù)字模型的過程描述

將上述熱分析計算結(jié)果編寫在彈-塑性應(yīng)力應(yīng)變分析的APDL程序上，即可模擬分析薄壁筋板焊構(gòu)件沿焊縫徑向的溫度分布，同時求解焊縫沿徑向和周向的殘余應(yīng)力分布情況，以及殘余應(yīng)力對蠕變變形的影響．結(jié)合上面的描述，本文選取間接法殘余應(yīng)力分析為例，歸納出焊接殘余應(yīng)力間接的計算流程圖（圖5）．具體建模流程如下：

（1）建立帶筋壁板的有限元模型，展開穩(wěn)態(tài)模塊的熱分析，而后的處理中可觀察到沿徑向分布的溫度變化情況．

（2）將數(shù)字模型中的熱單元類型用與之相對應(yīng)的具有蠕變參數(shù)的結(jié)構(gòu)分析單元類型取代，建立力學(xué)參考庫，讀入不同時間時，各節(jié)點上以體載荷的方式施加到數(shù)字模型中的溫度載荷，然后定義合理的邊界約束條件，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)蠕變非線性求解．

（3）利用通用后處理器POST1根據(jù)需要定義路徑，觀察并分析整個結(jié)構(gòu)沿徑向和周向的應(yīng)力大小及分布情況．

綜上所述，攪拌摩擦焊接是一項固相連接技術(shù)，在鋁合金航空制造領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景．本文在介紹攪拌摩擦焊接工藝特點及結(jié)合蠕變時效技術(shù)典型應(yīng)用的基礎(chǔ)上，闡述了當(dāng)前鋁合金航空制造中存在的問題及解決方法．可得到以下結(jié)論：

（1）針對目前大型整體壁板在航空航天業(yè)的發(fā)展趨勢，開展將CAF與FSW相結(jié)合的技術(shù)應(yīng)用于整體帶筋壁板的成形中，具有極大的理論研究價值與實際應(yīng)用前景．

（2）回彈是整體帶筋壁板蠕變時效成形中的瓶頸問題．研究CAF整體帶筋壁板的有限元模擬分析方法，建立準(zhǔn)確預(yù)測并降低帶筋壁板件時效成形后回彈的蠕變本構(gòu)方程，為該技術(shù)的進(jìn)一步工程化應(yīng)用奠定必要的技術(shù)基礎(chǔ)．

（3）在ANSYS分析平臺上，其焊后殘余內(nèi)應(yīng)力計算流程，可用APDL語言編程實現(xiàn)．

（4）利用熱-結(jié)構(gòu)順序耦合法建立的分析模型，可模擬焊接-蠕變時效帶筋壁板的殘余應(yīng)力分布，并可與無焊接帶筋壁板產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的蠕變時效情況對比，比較FSW與銑削兩種工藝的優(yōu)劣．

（5）該數(shù)值模擬方法的應(yīng)用可以避免盲目的試驗，對于節(jié)約成本、縮短成形件的研發(fā)周期、優(yōu)化產(chǎn)品的回彈參數(shù)與減少蠕變損傷程度具有很好的指導(dǎo)意義和參考價值．

大型整體帶筋壁板的生產(chǎn)制造是大飛機研制過程中的關(guān)鍵問題．FSW技術(shù)與CAF技術(shù)的結(jié)合是一種有效且嶄新的成形方法．目前為止，國內(nèi)在此方面的研究甚少，幾乎還屬空白．針對全文描述，就回彈與殘余應(yīng)力而言，應(yīng)從以下方面進(jìn)行深入研究：材料的蠕變本構(gòu)模型、材料蠕變時效后的性能、材料在時效成形過程中以及回彈后的有限元模擬分析、焊接單元連接、生死單元、熱源數(shù)學(xué)模型、熱力學(xué)性能以及熱-應(yīng)力場耦合過程模擬．

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（責(zé)任編輯：于開紅）

An ANSYS-based FSW component for process analysis and state of aging forming

ZUO Duquan1,2ZHAO Yingjie2SONG Mingcheng2SONG Yuanming2

The powerful analysis functions of residual stress and nonlinear creep aging in ANSYS provide a platform for welding simulation analysis, especially on the application of parametric design based on APDL language, it provides a condition for the realization of key welding simulation technology. This paper attempts to combine the new friction stirring welding (FSW) process and age forming (CAF) technology and takes 2A12 thin-rib plate as an example, describes building process of digital model and analysis process of residual stress simulation on the welding components based on the ANSYS environment. Moreover, its forming process and realization method are explored and analyzed. And the combination process of FSW and aging forming are prospected, and provides a theoretical basis for the deeply subsequent study on the numerical simulation and residual stress analysis of combining FSW and age forming under the environment of ANSYS.

friction stirring welding; aging forming; residual stress; spring-back; ANSYS

TG156.1

A

1009-8135（2016）03-0097-06

2016-01-02

左都全（1986-），男，四川綿陽人，重慶三峽學(xué)院教師，主要研究數(shù)字化設(shè)計制造及金屬材料成形．