Page 23 - 《应用声学》2023年第4期

第 42 卷 第 4 期 张轩等： 超声辅助搅拌摩擦焊仿真分析及实验 685

2.1 模态分析 难，因此本文将 UAFSW 过程分为 3 个相对独立的

对UAFSW工具头的前35阶模态进行求解，在 物理场模型来完成仿真分析，即 UAFSW 的温度场
各阶模态中寻找纵扭振动模态。如图3所示，在模态 仿真、流体场仿真和声场仿真分析。
分析的第30阶找到了换能器的纵扭模态，该模态基 2.50
本符合设计要求，在法兰盘处振幅最小，搅拌头顶端 2.25 Z ᣉவՔ
2.00 X ᣉவՔ
振幅达到最大，振动频率为 20099 Hz，法兰盘处振 1.75 Y ᣉவՔ
幅接近为0，搅拌头处振幅达到最大，符合设计要求。 1.50

A: Modal ͯረ/(10 -5 m) 1.25
1.00
Total Deformation 0.75
Type: Total deformation
Frequency: 20099 Hz 0.50
Unit: m 0.25
0
1800 1840 1880 1920 1960 2000 2040 2080 2120 2160 2200
4.89 Max
4.3466 ᮠဋ/(10 Hz)
3.8033 0 0.050 (m) Y X
3.2600 0.025 Z 图 5 搅拌头末端中心点的振幅与频率曲线
2.7166
Fig. 5 Amplitude and frequency curves at the end
图 3 UAFSW 模态振型 of the stirring head
Fig. 3 Modal shape of UAFSW
3.1 温度场分析
2.2 谐响应分析 物体之间的热量流动是由物体间的温度梯度
对 UAFSW 工具头进行谐响应分析可以获得 决定的。在 UAFSW 中，既存在工件表面与外部空
其在电流激振状态下的频率与位移特性曲线，从而 气的热对流和热辐射，也存在工件内部和工件与外
获得不同频率下的最大振幅。图 4 为 UAFSW 工具 部接触的热传导。
头的谐响应位移云图，从图中可以看出 UAFSW 工 图 6 为焊接过程热分析的几何模型，工件模型

具头在 100 V 电压下最大振幅可达 2.41 × 10 −5 m。 为尺寸 40 mm × 60 mm × 5 mm 的 6061 铝合金板
图5 为搅拌头末端中心点在 X、Y 、Z 三个方向上的 材，其前后侧设置两个无限域，即认为铝板为无限
振幅与频率的关系图，观察可知 UAFSW 工具头在 长，忽略板前后边缘附近的影响。上下表面及两侧
频率 20100 Hz 附近达到最大振幅，且3 个方向都存 面设为热对流和热辐射面，上表面和侧面由于与周
在位移，即UAFSW工具头既存在较大的纵向振动， 围空气直接接触，存在自然对流和表面对环境的热
又存在垂直于轴向的扭动。 辐射散热。图 7 为模拟得出的 4 组在不同的转速和

NODAL SOLUTION MN 焊接速度下工件表面温度分布云图。
STEP=l Y
Z
SUB=21 X
FREQ=20100 T 
REAL ONLY
UY (AVG)
RSYS=0 བྷࠫื֗བྷᣣ࠱ u 
DMX =0.243T10 -4
SMN=-0.400T10 -5 ଵતӝ
SMX=0.241T10 -4
MX
T10 -5
-0.400 -7 210 0.544 1.020 1.790 ௄ᬍ۫
-0.164 0.308 0.780 1.450 2.410
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图 4 UAFSW 工具头位移云图 图 6 热分析几何模型
Fig. 4 Displacement nephogram of UAFSW Fig. 6 Geometric model of thermal analysis
从图 7 中可以看出，在焊接速度 v 不变的情况
3 UAFSW的物理场分析
下，温度梯度基本不变，相同焊接速度的温度分布
UAFSW过程是一个集温度场、流体场、声场为 情况相差不大，随着转速n的提高，整体温度逐渐上
一体的多物理耦合场，将三者耦合在一起分析很困 升；当转速 n 不变时，随着焊接速度 v 的提高，焊缝