WB技术展示案例37：螺栓螺纹

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,isotbfield,temp,25tbdata,1,0.3tbfield,temp,200tbdata,1,0.3tbfield,temp,400tbdata,1,0.3tbfield,temp,600tbdata,1,0.23tbfield,temp,800tbdata,1,0.23tbfield,temp,1000tbdata,1,0.15rmodif,cid,9,500e6rmodif,cid,15,1rmodif,cid,18,0.95keyopt,cid,5,3keyopt,cid,9,15.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。6.1 Analysis Setting3个载荷步的具体设置具体如下：6.2 工况设置添加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/SOLUtintp,ic,all,temp,25cnvtol,heat,,,,,,,,kbc,0插入命令流outres,eraseoutres,all,10cnvtol,heat,,,,,,,,插入命令流outres,eraseoutres,all,10cnvtol,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。来源：CAE中学生