FLUENT经典案例362：搅拌摩擦焊仿真详解

问题介绍

如下图所示的两块矩形薄板（铝合金的板料），在下板上均匀铺满直径为45μm的氢化钛颗粒和直径为1μm的氧化铝颗粒，将上板叠放至下板上方盖好后，将搅拌头移至上板中线处，再将搅拌头压入板料之中，保温后，以焊速一定的焊速和转速进行焊接（参照下左图）。

模型情况

焊头模型如下，矩形板略。

焊头上有螺旋形槽口，螺旋线方程：

x = (1.8 0.7*t) * cos (3* t * 360 )

y = (1.8 0.7*t)  * sin (3* t * 360 )

z = 2.85*t - 2.85

装配后的模型

按照焊接的实施方式，建模时将两块矩形板制作为如下图紫色长方体，焊头装配时将焊针压入矩形板内。

处理后的流场域模型

流场域处理时，须在矩形板中除去焊头所占体积。并抽取焊头附近区域为单独的流场域，焊头附近区域外部为另一个流场域。

网格情况

本例使用AM制作非结构网格。实际上比较理想的方式也可以对焊头外区域制作结构网格，焊头附近区域使用非结构网格。

对焊头附近区域使用BOI方式加密。

仿真方法

   将金属材料视为流体且绕过旋转的搅拌针， 采用欧拉流动公式进行计算． 将焊件上表面、下表面、流体流动入口及出口、前进侧和回退侧均 设 为 移 动 墙， 移 动 速 度 与 焊 接 速 度相同， 移动方向与焊接方向相反。轴肩端面与搅拌针侧面定义为旋转墙， 旋转方向与搅拌工具旋转方向相同， 即顺时针旋转; 旋转频率与搅拌工具的旋转频率相同。
 

   对于温度的模拟，可使用UDF或体积热源方式（使用体积热源需要将焊针作为固体域考虑进来）设置温度条件。简化处理时可根据搅拌摩擦焊温度场的分布特点， 取搅拌头区域的温度峰值为材料熔点的 80% ， 譬如设置为 600 ℃（本例采用此种方式） ， 并加载到旋转边界上， 作热-流耦合计算。
 

材料参数

   600度时，使用密度使用1800，粘度0.01，比热1200、热导率180
 

基本结果

水平截面速度分布

水平截面温度分布

竖直截面温度分布

竖直截面速度分布

简单来个流场三维图

放大一下

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