爆炸焊接界面热力耦合数值模拟研究

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爆炸焊接是生产金属复合板、管、棒等复合材料的一种技术。对爆炸焊接复合材料的界面进行金相观测时,会发现界面通常呈波状,同时界面上还存在着强烈的塑性变形、绝热剪切带、纳米晶和非晶组织,以及铸态组织、微裂纹、微孔洞等微观缺陷。这些界面上的塑性剪切现象不但关系到复合材料的焊接质量,也是爆炸与冲击动力学领域的研究热点。目前,爆炸焊接界面上由高压塑性剪切作用引起的一些问题尚无统一的理论解释,例如:界面波的成波机理、爆炸焊接结合机理、以及绝热剪切带的衍生发展过程等等。这些问题所关注的区域都集中在界面附近很小的区域内,与高温、高压、高应变率、以及大塑性流动变形有关,是典型的流体弹塑性热力耦合问题。本文运用热力耦合计算模型对爆炸焊接界面现象进行了数值模拟,主要研究内容与结论如下:(1)基于流体弹塑性理论,采用光滑粒子动力学(SPH)离散方法,建立了适于爆炸焊接界面研究的热力耦合计算方法并编制了计算程序。在考虑热力耦合时,直接在控制方程中引入傅里叶热传导项。为提高热效应计算的准确度,在材料总内能中扣除了冷能贡献,考虑了熔点的压力效应,以及其对材料本构性能的影响。(2)基于可压缩流体弹塑性热力耦合理论建立光滑粒子动力学计算方法,采用无量纲量Fourier数来划分焊接界面瞬态热传导的形态,以变Fourier数(即改变飞板厚度)和焊接下限附近多种材料的爆炸焊接界面温度场、界面熔化层、喷射射流研究,证明了爆炸焊接结合机制属于特殊的熔化焊接范畴。(3)以SPH绝热模型进行爆炸焊接界面波成波、微射流喷射过程的模拟计算。用数值模拟结果说明,爆炸焊接界面波的成波过程是一种Bahrani刻入机理形态的、特殊的界面稳定性现象。对爆炸焊接界面波长与材料强度关系进行了数值分析,数值模拟结果从理论上验证了流体弹塑性模型用于爆炸焊接界面波研究的正确性,为材料强度在爆炸焊接界面成波过程中起关键作用的观点提供了理论依据。
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