WB技术展示案例28：摩擦搅拌焊接（FSW）模拟
1.案例描述
摩擦搅拌焊接（FSW）是一种无需填充材料的固态焊接技术。该技术通过圆柱形旋转工具压入刚性固定的工件，并沿待焊接接头移动进行焊接。当工具沿接头平移时，工具肩部与工件之间的摩擦会生成热量，同时工件材料的塑性变形也会产生额外热量。这些热量导致工件材料发生热软化。工具的平移使软化后的材料从工具前端向后端流动并重新固结。随着冷却过程的进行，两块板材之间形成连续的固态焊接接头。焊接过程中无熔融现象，最高温度始终低于被焊金属的固相线温度。与传统焊接技术相比，FSW具有显著优势，已成功应用于航空航天、汽车和造船工业。
在FSW过程中，热力学行为与力学行为相互耦合。由于温度场会影响应力分布，本例采用完全热力耦合模型。该模型由具备结构自由度与热自由度的耦合场实体单元构成，包含两块矩形钢板和一个圆柱形工具。模型中所有必要的力学与热边界条件均已施加。仿真过程分为三个载荷步，分别对应焊接的插入阶段（plunge）、停留阶段（dwell）和平移阶段（traverse）。
工具与工件的摩擦接触导致界面温度升高。当焊缝线区域的温度达到工件材料熔点的70%至90%时，通常可完成FSW焊接。
计算结果显示，摩擦生热与塑性生热中，工具肩部与工件的摩擦是主要热源。在板材接触界面设置“结合温度”以模拟工具后方焊接行为：当接触表面温度超过该温度时，接触状态将切换为绑定状态。
本示例中使用的模型是针对304L不锈钢FSW开发的热力耦合模型的简化版本。利用有限元分析软件WELDSIM，提出了非线性热学及热力耦合模拟方法。首先通过移动热源建立了热传递问题的理论模型，随后基于热分析输出的瞬态温度结果，通过三维弹塑性热力耦合模拟确定了焊接板的残余应力。
本案例对模型进行了缩小比例的直接热力耦合分析。与原模型采用移动热源不同，本模拟通过旋转并平移的工具实现更真实的焊接过程。模型中忽略工具探针（tool pin）的影响——探针处产生的热量仅占总热量的约2%，因此可忽略不计。该模拟使用圆柱形工具焊接两块304L不锈钢板（工件），如下图所示。
FSW工艺通常要求工具材料硬度高于被焊工件材料。过去，FSW主要应用于铝等软质工件材料。随着聚晶立方氮化硼（PCBN）等超硬材料工具的发展，该工艺已可应用于不锈钢等高温材料。本案例采用圆柱形PCBN工具建模。
平行于焊缝线的工件两侧在所有方向上施加约束，以模拟夹持端状态。工件底面在垂直（z）方向施加约束，模拟底部支撑。模型中所有表面均考虑热损失。所有边界条件均沿焊缝中心线对称分布。
模拟过程分为三个载荷步，分别对应FSW工艺的插入阶段（plunge）、停留阶段（dwell）和平移阶段（traverse）。
2.模型及创建分析模块
创建Coupled Field Transient分析模块
选用两块矩形板材（与参考模型中使用的类似）作为工件。为缩短仿真时间，已对尺寸进行了缩小。
板材尺寸为3英寸×1.25 英寸×0.125英（76.2毫米×31.75毫米×3.18毫米）。工件肩部直径为 0.6 英寸（15.24毫米）。
板材厚度与参考模型保持一致，但长度和宽度有所缩减。缩减板材宽度的原因是远离焊缝线的区域受焊接过程影响较小，本示例主要关注焊缝线附近区域的产热与温升。
3.材料参数
精确的温度计算对搅拌摩擦焊（FSW）过程至关重要，因为焊缝中产生的应力和应变与温度密切相关。304钢板的温度依赖性热学特性（如热导率、比热容和密度）会随温度变化。而杨氏模量和热膨胀系数等机械性能，由于文献数据有限，在分析中被视为恒定值。
假设材料的塑性变形遵循米塞斯屈服准则，并采用关联流动法则和加工硬化规则。因此，选择了一种双线性各向同性硬化模型（TB，BISO）。
为了焊接如304L不锈钢这类高温材料，需使用硬质材料制成的工具。由于PCBN（多晶立方氮化硼）等超硬材料适用于此类工艺，因此选用了圆柱形PCBN工具。下表所列PCBN工具的材料属性引自参考文献。
4.接触
两块板直接设置摩擦，摩擦系数为0，detection method选择Nodal-Dual Shape Function Projection，热阻为2W/mm2℃，具体设置如图
插入命令流
rmodif,cid,35,900
工件和两块板之间设置摩擦，摩擦系数为0，behavior选择asymmetric,热阻为1e5W/mm2℃
插入命令流
tb,fric,cid,1,1,iso
tbfield,temp,25
tbdata,1,0.3
tbfield,temp,200
tbdata,1,0.3
tbfield,temp,400
tbdata,1,0.3
tbfield,temp,600
tbdata,1,0.23
tbfield,temp,800
tbdata,1,0.23
tbfield,temp,1000
tbdata,1,0.15
rmodif,cid,9,500e6
rmodif,cid,15,1
rmodif,cid,18,0.95
keyopt,cid,5,3
keyopt,cid,9,1
5.Mesh
添加method,选择sweep,选择两块板
添加size,选择两块板两侧8个边，设置22份，其余设置如图
添加size,选择工件上端边，设置32份
添加method,选择multizone，其余设置如图
6.边界条件
仿真分3个载荷步进行。
3个载荷步的具体设置具体如下：
添加Physics Region，选择所有体
添加Plastic Heating，Plastic Work Fraction设置为0.7
添加Displacement，选择两块板底部两个面，X，Y轴自由，Z轴设置0.
添加Displacement，选择两块板两侧上下6个面，X，Y，Z轴设置0.
添加Remote Displacement，选择工件上表面，X，Y的平移和转动都设置0，Z轴载荷步1，2，3都设置-7.95e-004，Z方向转动载荷步2设置2700，载荷步3设置10800。
添加Convection，选择工件的所有面，film coefficient设置3e-5,温度设置为25。
添加Convection，选择两块板上面的所有面，film coefficient设置3e-5,温度设置为25。
添加Convection，选择两块板下面的面，film coefficient设置3e-5,温度设置为25。
插入命令流
/SOLU
tintp,
ic,all,temp,25
cnvtol,heat,,,,,,,,
kbc,0
插入命令流
outres,erase
outres,all,10
cnvtol,heat,,,,,,,,
插入命令流
outres,erase
outres,all,10
cnvtol,heat,,,,,,,,
7.查看结果
等效塑性应变
动画
小结
若要进行类似的搅拌摩擦焊（FSW）分析，请参考以下提示与建议：
耦合场分析的必要性
FSW是结构-热耦合过程。温度场影响整个过程中的应力分布，而结构变形产生的热量也会影响温度场。对此类过程建议采用直接耦合方法，即通过单一分析使用包含所有必要自由度的耦合场单元（如SOLID225）。直接耦合适用于强耦合物理场或高度非线性的场景。 非线性瞬态分析选择
若需研究瞬态温度和瞬态传热，推荐采用非线性瞬态分析。 动态效应控制
需控制不同物理场的动态效应。例如，本例中因结构自由度动态效应不显著，已将其禁用。 分步加载策略
将求解过程分为三个加载步骤，有助于理解物理机制并优化求解。 接触热传导设置
两板材间的接触需近乎完美以确保温度连续性。为实现理想热接触，应在工件间指定高热接触传导系数（TCC）。高TCC系数可保证界面温度连续。 非线性求解设置
因问题具有非线性特性，需合理配置求解参数。建议调整以下分析控制参数以确保收敛：LNSRCH（线性搜索），CUTCONTROL（载荷步控制），KBC（载荷步类型），NEQIT（平衡迭代次数），NROPT（牛顿-拉夫森选项），AUTOTS（自动时间步长），通过上述设置，可有效平衡计算精度与效率，确保仿真结果的可靠性。 第二、三加载步骤的收敛性挑战
在第二加载步骤中，工具的压入深度（uz）、转速（rotz）及时间步长对收敛至关重要。若转速超过60 RPM，建议采用极小的仿真时间步长以改善收敛性。 对称网格的优选策略
为精确捕捉输出结果及其对工件的影响，建议沿焊缝线采用对称网格。工件与工具均推荐使用低阶六面体网格（Hex Mesh），既可维持对称性，又能避免仿真中温度出现非物理负值。网格划分的平衡优化
厚度方向
至少需划分两层单元。 焊缝区域
采用精细的扫掠网格以提高精度，但过度细化会增加计算耗时。 工具侧处理
无需过度细化网格。为减少计算时间，可将工具设为刚体（无温度自由度）。
通过上述策略，可在计算效率与结果精度之间实现有效平衡。
