CFRTP蒙皮桁条构件感应焊接磁-热-力耦合仿真

摘要

碳纤维增强热塑性复合材料（carbon fiber reinforced thermoplastic composite,CFRTP）凭借其比强度高、韧性强、可焊接，被广泛应用于航空航天领域；感应焊接是其构件制造的关键工艺，然而，感应焊接过程中多场高度复杂耦合，其演化及分布特征尚不明晰，制约了构件的高效高质量生产。本研究通过耦合求解麦克斯韦方程组、傅里叶传热方程及弹塑性本构方程，构建CFRTP蒙皮桁条构件感应焊接过程磁-热-力耦合仿真模型，研究焊接过程磁、热及力的分布与演化特征。结果表明：在交变电磁场作用下，构件边缘区域磁场强度达1.45 mT，模拟所得磁场、温度场与应力场均存在显著边缘效应，焊接过程界面温度可超500℃，该现象与高频涡流引起的趋肤效应密切相关；焊接过程中蒙皮底部两侧存在非对称、近半椭圆状的高温区域，且靠近立桁区域的温度显著高于远离立桁区域的温度；当电流频率从150 kHz增加至250 kHz，焊件上应力最大值从637 MPa增加至778 MPa，焊接界面处的非对称应力集中区域不断扩大；焊接过程温度场及焊后应力测量结果与模拟结果高度吻合，这有效验证所构建模型的准确性和适用性，本研究为CFRTP复杂构件感应焊接的工艺优化与质量控制提供了理论支撑。

关键词

热塑性复合材料 / 磁-热-力耦合仿真 / 温度场 / 应力场 / 磁场 / 感应焊接