采用热塑性耦合SPH-FEM方法对钛铝爆炸焊接中的界面波进行建模分析

《Engineering Analysis with Boundary Elements》：Modeling analysis of interface waves in titanium-aluminum explosive welding using a thermoplastic coupled SPH-FEM method

　　

摘要

界面微观结构和局部元素重新分布直接影响通过爆炸焊接制造的轻质TC4/Al6061复合装甲板的结合强度和抗冲击性能。为了揭示界面波的形成机制并评估TC4/Al6061爆炸焊接中的潜在反应区域，在OpenRadioss中通过二次开发实现了热塑性耦合的SPH-FEM模型，用于模拟TC4/Al6061爆炸焊接过程中的界面波形成和热响应。随后进行了相应的爆炸焊接实验，并通过微观结构观察和能量色散光谱分析了结合界面的特性。热塑性耦合的SPH-FEM方法再现了结合界面的温度场和界面波的形成过程。结果表明，模拟的潜在反应区域局限在结合界面的狭窄高温区域内，并在空间上与测量的元素过渡区一致。此外，模拟得到的界面波尺寸与金相测量的尺寸相对误差为5%。作为一种稳健的数值算法，热塑性耦合的SPH-FEM方法能够准确模拟TC4/Al6061爆炸焊接中界面波的形成过程，并估计结合界面处Ti-Al金属间化合物层的潜在形成区域。

引言

由不同材料组成的复合结构广泛用于制造轻质装甲板[[1], [2], [3], [4], [5]]。由不同金属组成的复合板应用于需要高防护性能和轻量设计的抗冲击结构[[6], [7], [8]]。TC4/Al6061复合板结合了钛合金的高强度和韧性以及铝合金的低密度，因此在轻质装甲应用中具有巨大潜力。大面积的TC4/Al6061复合板通常通过爆炸焊接制造。当飞片在高速滑移爆轰载荷下撞击基板时，由于塑性流动、局部熔化和碰撞区域的金属喷射，在结合界面处会形成周期性界面波[[6], [7], [8], [9]]。然而，据报道在结合界面附近的高温区域会生成Ti-Al金属间化合物（IMCs）。界面波的形态和TC4/Al6061界面的局部元素过渡特性影响复合板的结合强度和抗冲击性能[4,[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]]。因此，界面波的形态和尺寸以及元素过渡区的宽度是评估TC4/Al6061复合板界面状态的重要指标。

爆炸焊接界面的微观结构及其相关反应特性通常通过金相显微镜、元素映射和电子显微镜进行研究。这些方法提供了界面形态、反应区特征、元素重新分布和局部微观结构演变的直接证据。Solecka等人[18]使用高倍显微镜和电子显微镜表征了界面金相结构，并评估了轧制和退火后的Ti/Al爆炸焊接复合板的力学行为。Janusz-Skuza等人[19]结合金相观察和生长动力学分析，阐明了Ti Gr.1/A1050复合板结合界面处Al₃Ti的形成和生长。Hu等人[20]通过爆炸焊接后进行热处理制备了Ti/Al₃Ti复合材料，并使用原位拉伸试验评估了界面力学响应。Yang等人[21]通过金相显微镜和电子显微镜研究了结合界面的形态，并讨论了金相结构和波的形成机制。Chu等人[22]和Zhang等人[23]将微观结构特性与钛/铜/钢三金属板和铜/钢复合板的力学性能进行了关联。Paul等人[24]分析了涉及碳钢或不锈钢与Ti或Zr的接头中的界面微观结构、晶粒尺寸、结晶取向和塑性变形。总体而言，这些研究为解释爆炸焊接界面的形态、反应特性和力学响应建立了实验基础。

然而，爆炸焊接发生在非常短的时间内，因此实验观察仅限于界面波形态和元素分布的最终状态。结果，界面波的演变、高温区域和界面反应特性难以直接观测。为了克服这些限制，数值模拟被广泛用于分析爆炸焊接的物理响应。主要的数值方法包括拉格朗日法、欧拉法、任意拉格朗日-欧拉（ALE）法、有限元（FEM）和平滑粒子流体动力学（SPH）方法。Campanella等人[25]使用拉格朗日-欧拉数值模型模拟了三种不同金属在爆炸焊接过程中的冲击结合和界面波形成。尽管FEM可以跟踪材料变形和界面运动，但严重的塑性变形可能导致网格变形，从而降低计算精度。Grignon等人[26]构建了铝/铝爆炸焊接的欧拉计算模型。欧拉方法避免了网格变形，但在准确跟踪材料边界方面不够理想。Sapanathan等人[27]使用ALE和欧拉方法模拟了冲击焊接的界面特性和演变，并通过解析解验证了其计算精度。Li等人[28]使用SPH和结构化ALE（S-ALE）方法预测了爆炸焊接界面波的形态和尺度。他们的结果表明，S-ALE方法在大变形下平衡了界面运动跟踪和计算稳定性，但在热塑性计算方面仍存在局限性。相比之下，SPH在模拟高速碰撞、大塑性变形、金属喷射和爆炸焊接过程中的界面波涡流演变方面具有明显优势。Wang等人[29]使用SPH研究了爆炸焊接的机制，并展示了飞片与基板高速冲击过程中界面波和喷射的形成。Feng等人[30]和Sun等人[31]应用SPH研究了双垂直爆炸焊接、爆轰传播和界面形态预测。先前的研究表明，基于SPH的方法有效描述了爆炸焊接过程中的高速碰撞、大塑性变形、金属喷射和界面波演变。然而，在SPH计算过程中可能会发生数值振荡，从而降低结果的准确性。总体而言，尽管之前的模拟再现了界面的形态和演变，但界面波演变、热塑性加热、元素过渡和潜在反应区域之间的关联尚未得到充分量化。

在这项研究中，构建了TC4/Al6061爆炸焊接界面的计算模型，并通过结合SPH和FEM的优点开发了热塑性耦合的SPH-FEM方法。该数值方法用于模拟界面波的形成并计算结合界面的温度分布。基于模拟的温度场和元素过渡分布估计了潜在反应区域。数值模拟使用OpenRadioss（一个开源的显式动力求解器）进行。其原有的TYPE7接触例程经过二次开发以支持热塑性耦合的SPH-FEM公式。在数值模型中，界面附近的区域由SPH粒子描述，以捕捉严重的界面变形，而远离界面的区域则由FEM离散化，以保持连续变形。然后将模拟结果与TC4/Al6061爆炸焊接实验获得的实验结果进行了比较。使用金相分析和能量色散光谱（EDS）表征了界面波的形态、元素重新分布和元素过渡区的宽度。模拟的高温区域与EDS过渡区之间的一致性表明，热塑性SPH-FEM方法可以用于识别易受瞬态加热和元素扩散影响的区域。这一计算框架为优化爆炸焊接参数和提高TC4/Al6061复合板的质量提供了数值基础。

章节片段

爆炸焊接理论

在本节中，介绍了爆炸焊接窗口的方程，并使用这些方程定义了碰撞速度和碰撞角度的可接受范围。然后采用Richter公式计算飞片与基板之间的安全距离。

数值算法

本节推导了热塑性耦合SPH-FEM算法的公式。定义了界面的SPH处理方法和周围域的FEM描述。采用了热塑性耦合方案，并构建了SPH-FEM耦合框架。

数值模拟

本节介绍了TC4/Al6061爆炸焊接的材料模型，并使用热塑性耦合SPH-FEM方法构建了2D计算模型。对SPH粒子间距和FEM网格尺寸的离散化敏感性进行了分析。此外，还模拟了结合界面的界面形态、有效塑性应变场、温度场和局部速度场。

讨论与分析

基于模拟和实验结果，讨论了TC4/Al6061结合界面的演变机制。分别使用从TC4/Al6061复合板结合区域切割的三个试样进行了剪切试验、结合界面的显微硬度测试和EDS分析。

结论

本研究开发了一种热塑性耦合SPH-FEM方法，用于模拟TC4/Al6061爆炸焊接过程中界面波的形成。可以识别与Ti-Al元素扩散相关的潜在反应区域。SPH用于处理结合界面的大变形、自由表面运动和金属喷射，而FEM则用于界面以外的区域，以确保连续变形的保持。数值方法的验证

CRediT作者贡献声明

Lekun Lin: 写作——初始草稿。Yuxin Wang: 编写——审阅与编辑。Xiaojie Li: 监督。

Lekun Lin|Yuxin Wang|Xiaojie Li