鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于航空航天、通信和汽車等領(lǐng)域。但鎂合金焊接性能較差，難以實(shí)現(xiàn)與其他構(gòu)件的可靠連接，這成為制約鎂合金應(yīng)用的技術(shù)瓶頸之一。攪拌摩擦焊（FSW）是一種新型的塑化連接工藝，可在固態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)同種/異種合金連接。但使用該工藝容易在焊接接頭中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，不利于合金的疲勞性能。因此，為了預(yù)測焊接結(jié)構(gòu)壽命，保證其在靜、動載荷下安全服役，模擬并預(yù)測焊接接頭的殘余應(yīng)力是該課題的重要方向之一。

近日，來自伊朗科技大學(xué)的A. R. Eivani博士等人基于平滑粒子流體動力學(xué)（SPH）模型，通過優(yōu)化自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS），嘗試建立能準(zhǔn)確預(yù)測不同攪拌摩擦焊工藝參數(shù)下AZ91鎂合金殘余應(yīng)力分布的集成SPH-ANFIS模型。研究結(jié)果表明，SPH模型模擬的殘余應(yīng)力與超聲波檢測結(jié)果較為符合，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性；通過對優(yōu)化后的ANFIS模型進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合良好，該模型可有效預(yù)測不同焊接參數(shù)下AZ91的殘余應(yīng)力；超聲波試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，集成的SPH-ANFIS模型能夠較好模擬焊接/溫度因素對殘余應(yīng)力分布的影響。

通過SPH模型分別模擬了旋轉(zhuǎn)速度（600 rpm、900 rpm、1200 rpm）、焊接速度（50 mm/min、100 mm/min、150 mm/min）和預(yù)熱等對AZ91攪拌摩擦焊后殘余應(yīng)力分布的影響。模擬結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速越快，焊接處的峰值溫度越高，焊核區(qū)寬度越寬，殘余應(yīng)力越大（見圖1）；焊接速度降低，輸入的熱量增加，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較小（見圖2）；在不同焊接工藝參數(shù)條件下，縱向和橫向殘余應(yīng)力均隨預(yù)熱溫度升高而減小，預(yù)熱后樣品中產(chǎn)生均勻變形（見圖3）。

圖1 在150 mm/min的恒定焊接速度和不同旋轉(zhuǎn)速度下焊接后試樣中的殘余應(yīng)力場分布（未預(yù)熱）：（a）600 rpm，（b）900 rpm和（c）1200 rpm

圖2 在900 rpm的恒定轉(zhuǎn)速和不同轉(zhuǎn)速下焊接試樣中的殘余應(yīng)力場分布（未預(yù)熱）：（a）50 mm/min（b）100 mm/min和（c）150 mm/min

圖3 不同工藝條件下攪拌摩擦焊試樣的殘余應(yīng)力場分布：（a）轉(zhuǎn)速600 rpm、焊接速度100 mm/min、未預(yù)熱；（b）轉(zhuǎn)速600 rpm、焊接速度100 mm/min、預(yù)熱；（c）轉(zhuǎn)速1200 rpm、焊接速度150 mm/min、未預(yù)熱；（d）轉(zhuǎn)速1200 rpm、焊接速度150 mm/min

自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS）是一種具備自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力和基于邏輯規(guī)則推理的高性能計(jì)算模型。通過構(gòu)建該模型并不斷優(yōu)化，輸入預(yù)定轉(zhuǎn)速、焊接速度、預(yù)熱和焊縫中心距離，模擬焊接參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。在合理范圍內(nèi)隨機(jī)選取16組模擬數(shù)據(jù)結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以評估模型的準(zhǔn)確度，擬合結(jié)果如圖4所示，表明該模型的精確度較高。

圖4 ANFIS結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證

通過將超聲波檢測結(jié)果與SPH模型模擬結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)模擬的殘余應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)測得殘余應(yīng)力具有很好的一致性，表明該模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測攪拌摩擦焊AZ91的殘余應(yīng)力分布（圖5）。

圖5 通過超聲波檢測驗(yàn)證SPH模型