论文摘要
线性摩擦焊接是一种高效的固相连接方法,在整体叶盘制造等领域有广阔的应用前景。线性摩擦焊过程是一个伴随着力、热和冶金现象的复杂过程,目前在实验上对线性摩擦焊已有大量的研究,但线性摩擦焊过程十分复杂,很多物理现象和机制很难通过目前实验手段直接观测和分析,很多现象和机制需要从微观的角度分析。对线性摩擦焊数值模拟方面的研究目前大多针对的是连续体,然而很多物理过程如原子扩散等是离散的。因此,从原子尺度对线性摩擦焊过程进行分析非常有必要。本文采用分子动力学方法,从原子尺度对线性摩擦焊过程进行数值模拟,建立了Ni-Al线性摩擦焊的分子动力学模型,包括摩擦阶段和顶锻阶段,研究了不同工艺参数对扩散层的影响,结果表明,提高顶锻压力和摩擦速度对总的扩散层厚度的增加都有促进作用,摩擦速度主要对摩擦阶段生成的扩散层有较大影响,而顶锻阶段生成的扩散层主要受顶锻压力的影响。基于此模型,我们研究了表面粗糙度对线性摩擦焊过程的影响。研究结果表明,粗糙表面在摩擦过程中逐渐消失,较硬材料表面粗糙时会对焊后界面组织的成分和结构造成影响,较软材料的粗糙表面对焊后界面组织影响不大。通过模拟,我们得出当表面粗糙时,线性摩擦焊的过程主要分为三个步骤,首先是两侧材料相互靠近并逐渐接触,在顶锻力和摩擦力的作用下开始摩擦阶段,较软材料（Al）开始变形,以便使两侧材料有更大的接触面积。然后随着摩擦的进行,较软材料（Al）变形越来越大,使两侧材料的界面达到完全紧密的接触。最后,在两端施加顶锻力,完成焊接。此外,我们还研究了线性摩擦焊过程中的孔洞弥合规律。在Ni和Al两侧分别预置孔洞,为了考虑界面处扩散层对孔洞的影响,分别考虑孔洞离界面较近和较远的情况,模拟结果表明,当孔洞离界面较近时,孔洞可以在焊接过程中弥合,Al侧孔洞在摩擦阶段弥合,Ni侧孔洞在顶锻阶段弥合;当孔洞弥合时,都是从靠近界面的方向开始弥合。当孔洞离界面较远时,Al侧孔洞可以在顶锻阶段完全弥合,而Ni侧孔洞不能弥合,最后,本文建立了线性摩擦焊的有限元模拟模型,提出了线性摩擦焊多尺度模拟的思路,采用桥尺度方法将分子动力学模拟和有限元模拟结合起来,为今后线性摩擦焊完整的数值模拟提供了方法。
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摘要ABSTRACT第1章 绪论1.1 课题的研究目的和意义1.2 线性摩擦焊的研究现状1.2.1 线性摩擦焊实验的研究现状1.2.2 线性摩擦焊模拟的研究现状1.3 材料加工过程分子动力学模拟研究现状1.4 表面粗糙度对材料加工过程影响的研究现状1.5 材料加工过程中孔洞弥合规律的研究现状1.6 本课题的主要内容第二章 分子动力学基本理论2.1 分子动力学基本原理2.1.1 基本运动方程2.1.2 牛顿运动方程的数值解法2.2 原子间相互作用的势函数2.3 分子动力学模拟的系综2.3.1 分子动力学模拟系综的分类2.3.2 分子动力学模拟系综的调温技术2.3.3 分子动力学模拟系综的调压技术2.4 分子动力学模拟时间步长的确定2.5 分子动力学模拟的步骤2.6 分子动力学模拟中的软件2.7 本章小结第三章 Ni-Al线性摩擦焊模型的建立3.1 线性摩擦焊的基本原理3.2 顶锻阶段的分子动力学模型3.2.1 同质材料顶锻阶段的分子动力学模型3.2.2 异质材料顶锻阶段的分子动力学模型3.3 Ni-Al线性摩擦焊分子动力学模型3.4 摩擦温度对线性摩擦焊的影响3.5 顶锻压力对线性摩擦焊的影响3.6 本章小结第四章 表面粗糙度对Ni-Al线性摩擦焊的影响4.1 Ni侧光滑Al侧粗糙时对线性摩擦焊模型4.1.1 Al侧凸起时线性摩擦焊模型4.1.2 Al侧凹陷时线性摩擦焊模型4.2 Al侧光滑Ni侧粗糙时对线性摩擦焊模型4.2.1 Ni侧凸起时线性摩擦焊模型4.2.2 Ni侧凹陷时线性摩擦焊模型4.3 表面粗糙度对线性摩擦焊的影响4.4 本章小结第五章 Ni-Al线性摩擦焊中孔洞弥合规律的研究5.1 孔洞离界面较近时的孔洞模型5.1.1 Al侧预置孔洞时分子动力学模型5.1.2 Ni侧预置孔洞时分子动力学模型5.2 孔洞离界面较远时的孔洞模型5.2.1 Al侧预置孔洞时分子动力学模型5.2.2 Ni侧预置孔洞时分子动力学模型5.3 Ni-Al线性摩擦焊中的孔洞弥合规律5.4 本章小结第六章 线性摩擦焊有限元模拟的研究6.1 引言6.2 线性摩擦焊有限元模型的建立6.2.1 模型的建立与简化6.2.2 热物理性能参数6.2.3 计算单位的统一6.2.4 有限元网格划分6.2.5 热源模型选取6.2.6 初始条件及边界条件6.2.7 线性摩擦焊有限元模拟6.3 线性摩擦焊有限元模拟的思路6.4 线性摩擦焊多尺度模拟的展望6.5 本章小结结论参考文献攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果致谢
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