径向摩擦焊夹持模型的三维有限元接触分析

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第顶第一章绪论1．1摩擦焊的发展与径向摩擦焊的研究现状摩擦焊接和相关加工方法现在已经发展到了20多种，特别是近年来为了适应新材与新结构的应用，国外在摩擦焊接和相关技术方面取得了重要进展，其中以线性摩擦焊(LjJle缸伍cti∞wdding)、搅拌摩擦焊O啊甜∞stifweldiⅡg)、耗材摩擦敷层(co地umablc掰cIionsurfhcing)等被称为是“科学摩擦(Science衔ction)”的先进摩擦焊接技术，最具代表性n1。这些新颖的摩擦焊接技术不仅拓展了摩擦焊的应用范围，而且提高了焊接部件的整体性能和可靠性，使那些以前难焊或不

2、能焊的材料也能获得高质量的焊缝。先进摩擦焊接技术可广泛拓宽应用范围，具有巨大的开发潜力，是21世纪适应环境保护要求的材料加工制造技术。1．1．1摩擦焊的产生与发展摩擦焊是一种需要施加压力的固态焊接工艺方法。最古老的固态焊接恐怕要追溯到公元前3000多年，埃及人通过将两块红热的金属用不断捶击的方法将其连接到一起n’”。固态焊接技术经历了漫长的发展过程，其形式也变得多种多样，其中摩擦焊就属于目前国际上比较流行、发展迅速和应用相对广泛的一种。所谓摩擦焊，就是把两种焊件的结合面作相对高速运动，借助于摩擦热使接触部分达到塑性状态，再经加压而连接成一体的一种金属固相热压焊工艺方法

3、。摩擦焊是一种优质、精密、高效、节能的固态焊接技术，已广泛应用到工西南交通大学硕士研究生学位论文第2页业生产的各个领域。特别在航空、航天、能源、海洋开发等高技术领域更显示出了独特的优越性，成为一种最可靠和最可信赖的焊接方法。随着我国工业的发展，摩擦焊接技术正逐步受到人们的重视。1．1．2径向摩擦焊的研究现状径向压力摩擦焊是通过径向加力实现轴向焊接的工艺。国外真正开始研究是在七十年代末、八十年代初，主要用于石油、天然气管道的焊接。八十年代中，挪威的s．B．眦n蚰等人在轴向连续驱动摩擦焊机上实现了管道的径向压力摩擦焊接“1。目前国外已研制出用于焊接外径150mm管道的连续

4、驱动摩擦焊机，正准备研制焊接外径250n瑚管道的连续驱动摩擦焊机。国内摩擦焊工艺研究和应用仅仅局限于轴向摩擦焊，1995年，59所在20T轴向摩擦焊机上实现了国内首例径向摩擦焊工艺试验Ⅲ，并且主要用连续摩擦焊工艺。2002年，59所研制的“cT25特种摩擦焊机”为国内第一台能完成径向、轴向的惯性，连续驱动摩擦焊等多种工艺及小批量生产的特种摩擦焊机，弥补了国内径向摩擦焊接新工艺的空白‘61。1．2本课题研究的内容和意义1．2．1问题的提出炮弹弹带的装配历来采用机械嵌接合方式。传统的加工工艺必须在弹体上加工弹带环槽，增加了应力集中，削弱了弹体强度。要保证弹体强度就必须增加

5、环槽处的壁厚，增加了环槽处的壁厚会使该处弹体内孔孔径缩小，从而增加了加工弹体的工艺难度；减少了装药量，降低爆炸威力。在弹体上加工环槽费工费时费刀具。同时，要保证压嵌弹带可靠，压嵌弹带时要求有足西南交通大学硕士研究生学位论文第3页够的压力。在这种强压下，装配弹带时只有在弹体内加内衬才能保证弹体不变形。加内衬的方法在一些弹种中实施较困难。弹带的装配技术，是提高弹丸战斗力的关键技术，多年来一直是困扰我国炮弹设计制造的技术瓶颈。我国已经从实践中解决了这一难题，但在实际焊接过程中还存在一些问题：(1)焊接质量不稳定经过工艺摸索，能实现13铜和60Si2Mn的连接，但合格率不超过

6、10％；(2)焊接规律性不强目前，实际操作无数字依据，一般理论和解析方法无法证明。针对上述情况，如何选择一种行之有效的理论依据，以满足相关部门的特殊需要已是当务之急。1．2．2课题研究的主要内容本课题是中国人民解放军后勤部预研项目中的一部分，主要是以弹一塑性理论和有限元法为基础，应用高级非线性有限元软件Marc，对六种径向模型焊接夹持模型进行三维非线性接触摩擦有限元分析比较，目的是对弹体及过渡套两者之间的相对位移进行分析并得出其规律。1．分析六种径向摩擦焊接夹持模型的特点，建立符合客观实际过程的三维摩擦焊接夹持模型的简化模型。2．基于有限元法，根据径向摩擦焊接过程的特

7、点，建立径向摩擦焊接三维接触分析有限元数值模拟计算模型，综合考虑工件的尺寸形状、热物性参数以及摩擦系数等影响因素。3．基于Marc平台采用有限元方法研究夹持模型中弹体和过渡套之间的相对位移。4．计算模拟径向模型焊接过程中的应力场和应变场。西南交通大学硕士研究生学位论文第4页5．采用有限元数值模拟方法定量研究径向摩擦焊接过程中施加在过渡套上的顶力、周向压力和夹持工件上的扭矩力，找出在不同条件下，弹体和过渡套之间保持相对静止的规律。1．2．3研究问题的实用意义纵观国际上弹带装配技术的发展趋势，弹带摩擦焊接技术是目前国际上重点研究的弹带装配技术，是解决弹带