摩擦焊工艺热力流微观组织多物理场数值计算方法与流程

技术特征：

1.摩擦焊工艺热力流微观组织多物理场数值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立热-流耦合数值模型，利用考虑温度的欧拉算法进行温度和流场完全耦合计算，得到工件焊接过程任意时刻的温度和流场大小及分布；

步骤二、利用Leblond相变模型与算法进行微观组织转变计算，得到相变组织分布；

步骤三、基于得到的温度、流场及相变组织分布，建立热-力-组织耦合数值模型，计算焊接过程工件塑性区域和应力应变。

2.根据权利要求1所述的摩擦焊工艺热力流微观组织多物理场数值计算方法，其特征在于，所述步骤一中获取温度时包括工件内部热传导计算和工件与外界的热交换计算，其中，热传导是根据傅里叶传热定律来计算，傅里叶传热定律的公式为：

其中，k(x,y,z)为材料的热传导系数，A是传热面积，T为温度，x为在导热面上的坐标；

工件与外界的热交换利用欧拉方程来进行计算，欧拉方程的公式为：

；

其中ρ是材料密度，C是材料比热，Q是材料内部总热量，V和为算子。

3.根据权利要求2所述的摩擦焊工艺热力流微观组织多物理场数值计算方法，其特征在于，所述步骤一中获取流场大小及分布时先通过雷洛系数来判断是否属于紊流，然后基于N-S方程和欧拉方程进行计算，其中N-S方程为：

其中，△是拉普拉斯算子，μ是动力粘性系数，F是载荷力，p为压力，v是速度分量，t是时间。

4.根据权利要求1所述的摩擦焊工艺热力流微观组织多物理场数值计算方法，其特征在于，所述步骤一～步骤三计算过程中根据实际模型采用拉格朗日-欧拉网格准备摩擦焊数值模拟网格，其中，焊缝区域采用拉格朗日网格，非焊接区域采用欧拉网格；所述步骤一中针对每个网格节点先计算温度，然后以温度作为该节点流体计算的边界条件之一，计算使得每个网格节点上都保存有温度和流场结果。

5.根据权利要求1所述的摩擦焊工艺热力流微观组织多物理场数值计算方法，其特征在于，所述步骤二中微观组织转变计算根据Leblond Model和K-M模型来计算，Leblond Model方程为：

其中，T为温度，为平衡时刻的相比例，为相变过程单一相比例，为相变在温度T时的延迟时间，为温度T时相的个数，Leblond Model方程中各种参数通过材料的CCT曲线获取；

K-M方程为：

其中，T为温度，为温度T时马氏体的比例，为温度T时奥氏体的比例，k为试验参数，Ms为马氏体开始转变温度。

6.根据权利要求1所述的摩擦焊工艺热力流微观组织多物理场数值计算方法，其特征在于，所述步骤三中应力应变计算过程中焊缝流体粘性力的计算公式为：

其中，是动力学粘性系数或摩擦系数，u是速度在z方向的分量。

7.根据权利要求1所述的摩擦焊工艺热力流微观组织多物理场数值计算方法，其特征在于，所述热-流完全耦合数值模型和热-力-组织耦合数值模型中搅拌头与工件间应力应变计算模型为：

其中，为粘性耗散，为热流密度，为温度，是材料密度，C是材料比热，是速度分量。

8.根据权利要求1所述的摩擦焊工艺热力流微观组织多物理场数值计算方法，其特征在于，所述摩擦焊过程中应变的计算公式如下：

其中，为弹性应变，为塑性应变，是蠕变应变，为相应变，为由相转变的体积应变，为相变过程的塑性应变；

相应变的方程为：

式中，T是温度，是初始温度，是膨胀系数，是指定温度下的单一相应变，是相的体积分数；

相变过程的塑性应变方程为：

式中，是应力张量，是由于相转变引起的体积的改变，s是屈服应力，是已经转变的相的百分数，是相转变增量。

9.根据权利要求1所述的摩擦焊工艺热力流微观组织多物理场数值计算方法，其特征在于，所述步骤一至步骤三的计算过程中材料的屈服准则包括特斯卡准则和米塞斯准则，特斯卡准则的公式为：

，其中，是纯剪切时的屈服剪切力，和分别是主应力；

米塞斯准则的公式为：，其中，是纯剪切时的屈服剪切力，、和分别是x、y、z三个方向主应力。

10.根据权利要求1～9中任意一项所述的摩擦焊工艺热力流微观组织多物理场数值计算方法，其特征在于，所述热-流完全耦合数值模型和热-力-组织耦合数值模型建立时采用Johndon-Cook模型来描述摩擦焊材料，Johndon-Cook模型的表达式为：

其中，A是材料的屈服强度，B是材料的抗拉强度，n是材料的硬化指数，C是应变率敏感指数，m是材料的温度软化指数，是等效塑性应变，是参考应变率，是材料熔点，是参考温度，T是材料当前温度。