Page 23 - 《应用声学》2023年第4期
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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
                             ᛫᭧  ঴ͯረ/m
                       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
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