[发明专利]基于接触模型的TC4弯板温度场的仿真分析方法

说明书

本发明为基于接触模型的TC4弯板温度场的仿真分析方法，该方法以TC4弯板(以下简称试件)和柔性夹具为研究对象，将TC4弯板与柔性夹具(琴键)接触形式(琴键和试件只有小部分接触、大部分为间隙)由窄面接触代替线接触，建立其弹性接触模型，通过有限元法对焊接修复过程中任意时刻、位置的温度场进行分析，研究试件曲率、试件与琴键间线接触对焊接温度的影响，为焊接工艺参数优化和柔性夹具结构设计提供参考，对提高叶片焊接修复后质量有非常重要的现实意义。

技术领域

本发明设计计算机辅助工程技术领域，具体涉及一种基于接触模型的TC4弯板温度场的仿真分析方法。

背景技术

TC4(Ti-6Al-4V)因其具有良好的综合机械力学性能，在航空发动机上应用广泛，但其核心零件压气机叶片工作在高温、高速等恶劣环境中，容易发生损伤，为了降低更换成本，提高经济效益，叶片损伤后的焊接修复已受到广泛关注和高度重视。

在叶片焊接修复过程中，由于TC4导热系数低，高温时化学活性大，容易与N、O、H元素发生反应，影响焊接修复后质量。为了提高修复后叶片质量，在叶片焊接修复中，夹具不仅具有定位夹持作用，还具有协助散热的作用。为了使夹具能适应叶片的空间自由曲面形状，夹具设计成琴键式柔性夹具，叶片和琴键间接触形式主要为线接触，会影响温度从叶片向夹具的传递效率。压气机叶片造价昂贵，试验时间长，为了节约成本、提高效率，采用计算机辅助工程(CAE)对TC4焊接修复过程中温度场进行仿真，以指导实际焊接工艺参数和琴键结构设计，实现在焊接修复过程中对温度精准控制。

现有的模型未能综合考虑叶片曲率、叶片与琴键间接触形式对叶片温度场的影响，导致对TC4薄板的焊接修复温度场分析不能有效的指导实际叶片焊接修复。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有模型的不足，提供一种基于接触模型的TC4弯板温度场仿真分析方法，以TC4弯板(以下简称试件)和柔性夹具为研究对象，建立其弹性接触模型，通过有限元法对焊接修复过程中任意时刻、位置的温度场进行分析，研究试件曲率、试件与琴键间线接触对焊接温度的影响，为焊接工艺参数优化和柔性夹具结构设计提供参考，对提高叶片焊接修复后质量有非常重要的现实意义。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种基于接触模型的TC4弯板温度场的仿真分析方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：简化TC4弯板：

以TC4弯板的圆心为坐标系原点O，坐标系原点与试件中点连线为y轴，建立笛卡尔坐标系，依据TC4弯板的曲率半径r、弦长L及柔性夹具单一琴键的宽度a，将TC4弯板离散成n段，n为试件所接触的琴键数量，利用数学软件，并计算出每段斜率k_i，i＝1,2,…,n；

步骤二：计算TC4弯板与夹具间接触变形：

根据赫兹弹性接触理论，将线接触转化为窄面接触，计算出琴键与叶片间接触面半宽r_a；

步骤三：建立TC4弯板与夹具模型：

将试件与柔性夹具的几何尺寸及根据步骤一和步骤二中获得的斜率和接触面半宽，求出接触面积，导入三维软件中建立试件和夹具的接触模型；

步骤四：导入有限元分析软件：

将步骤三获得的接触模型导入有限元分析软件，定义试件和夹具的材料属性和特性参数；

步骤五：定义焊接热源移动轨迹：

在有限元分析软件中，在夹具上建立笛卡尔坐标系，定义焊接热源的移动轨迹；

焊接热源的移动轨迹加载过程是：