模拟搅拌摩擦焊的FEM-SPH耦合法研究

Friction stir welding (FSW) is a very good technique for the welding of light metal. Numerical simulation can provide guidelines to determine optimal process parameters for FSW welding. It can also promote the understanding of welding mechanism and be helpful to use and develop the technique better. For FSW simulation, traditional numerical methods have some difficulties and suffer from great challenge in computational efficiency. In this project, SPH formulation of high accuracy for thermo-mechanical problem is established and relevant techniques for imposing thermal, and mechanical boundary conditions are developed. Algorithms for handling contact and coupling interfaces between FEM and SPH are proposed. Reasonable constitutive model and friction model are also incorporated. Through the aforementioned work, an effective FEM-SPH coupling method is constructed for FSW simulation. It overcomes the deficiencies of traditional methods, such as mesh tangling, difficult to capture material interfaces and so on. With GPU-based parallel computing technique, a GPU-accelerated FEM-SPH coupling method is developed, which improves the computational efficiency significantly and lowers the time cost for FSW simulation. The GPU-accelerated FEM-SPH coupling method can provide a new powerful numerical tool for the investigation and application of FSW.

搅拌摩擦焊（FSW）是一项在轻合金焊接方面极具优势的技术。数值模拟可以为FSW焊接工艺参数的优化提供指导，同时有助于人们加深对FSW焊接机理的理解，更好地应用和发展该技术。传统的数值方法在模拟FSW时都存在一定困难，并且在计算效率上面临巨大的挑战。本项目通过构建求解热力耦合问题的高精度SPH格式，开发相关的热力边界处理技术，发展FEM与SPH的接触界面和耦合界面计算技术，嵌入合理的本构模型、接触摩擦模型，建立一套能有效模拟FSW焊接过程的FEM-SPH耦合法，克服传统数值方法存在的网格畸变、物质界面难于追踪等困难。在此基础上，利用基于图形处理器(GPU)的并行计算技术，开发GPU加速的FEM-SPH耦合法及程序，大大提高计算效率，降低FSW模拟的计算时间成本，从而为FSW的研究和应用提供一种新的有力的数值分析工具。

搅拌摩擦焊（FSW）是一种先进的轻合金连接技术，其工程应用越来越广。数值模拟在其研究和应用中具有重要作用。由于FSW过程是一个涉及材料极大变形的复杂热力耦合过程，现有数值方法在模拟FSW时存在困难。为此，本项目探索一种新的途径即有限元法与无网格粒子法的耦合法来进行模拟。具体完成了以下工作：.（1）构造了一种对称粒子近似，提出了有效的边界条件处理算法，建立了一种求解瞬态热传导问题的高精度的无网格对称粒子法，以避免传统SPH在模拟瞬态热传导问题时边界处理不方便的缺陷。.（2）提出了一种基于温度场光滑的稳定化算法，采用无网格对称粒子法，开展了不锈钢钨极氩弧焊接温度场的数值模拟研究，同时检验了该方法对于强非线性焊接热传导问题的有效性。.（3）对比了基于不同摩擦机制的FSW热源模型，确定了一种实用的模型—基于粘着摩擦的热源模型；分析了边界条件、焊接参数以及搅拌头结构尺寸等因素对FSW温度场的影响，得到一系列规律和指标。.（4）进一步改进边界条件处理、稳定化算法和粒子近似计算，得到改进的无网格对称粒子法，在其中嵌入基于粘着摩擦的FSW热源模型，实现了FSW温度场的无网格粒子法模拟。.（5）分别采用传统SPH格式和改进的无网格对称粒子法格式求解动力学方程和热传导方程，开发SPH的摩擦接触算法，计算摩擦产热和塑性变形产热，实现了FSW插入过程的无网格热力耦合模拟。.（6）提出了求解热传导问题的FEM与改进的无网格对称粒子法的耦合算法，通过数值算例验证了其有效性。.（7）设计和开展了5005铝合金的搅拌摩擦焊实验，测试获得了数值模拟所需的材料机械性能和物理性能参数。.（8）应用项目开发的带有摩擦接触算法的SPH，研究了一系列高速冲击问题。.（9）提出了一种SPH的粒子生成方法，开发了相应的软件。