随着我国轨道车辆轻量化设计的发展,铝合金材料在轨道车辆领域得到广泛应用。搅拌摩擦焊方法具有节能环保、焊接质量高、焊后变形小等诸多优点,非常适用于铝合金等轻质合金的焊接。本课题以轨道车辆常用铝合金板材和型材为研究对象,应用DEFORM-3D软件对搅拌摩擦焊过程进行数值仿真研究。针对两种材料的板材搅拌摩擦焊接,建立了全热力耦合模型进行数值仿真分析。通过对比温度场、搅拌头受力变化的仿真结果和对应的实验数据,验证数值仿真方案的合理性和正确性。在此基础上,分析了前进侧、返回侧以及板厚方向的温度和等效应变的分布以及变化情况,给出了焊缝处温度场和变形场的分布规律。针对结构复杂的型材搅拌摩擦焊接,采用经过验证的数值仿真方案进行全热力耦合仿真分析。深入分析了型材的温度场和材料变形情况,并讨论了焊接参数对型材搅拌摩擦焊温度场和变形场的影响规律。结果表明,在壁板平面内,温度场和变形场分布结果和板材结果相似,但在厚度方向,温度场和变形场分布受型材接头的结构特征影响。搅拌头转速和焊接速度对温度场和变形场有明显影响,而搅拌头下压量仅对温度场有明显影响。基于型材结构的全热力耦合仿真结果,采用点追踪方法深入分析了焊接前进侧、返回侧以及壁板厚度方向的材料流动规律,并讨论了焊接参数对材料流动以及材料相互渗透的影响。结果表明,焊接前进侧的材料流动复杂,且前进侧的流动性优于返回侧。离轴肩越远,材料质点流动性越差。提高搅拌头转速和降低焊速都使得材料质点“相互渗透”的范围扩大,焊件材料的流动得以提高。基于型材结构的全热力耦合仿真结果中焊后焊缝处的等效应变、应变率、和温度等物理量值,采用连续动态再结晶模型对焊后焊缝区域的晶粒尺寸进行预测。结果表明焊后材料晶粒尺寸在焊缝中心处最小,远离焊缝中心材料晶粒尺寸逐渐增大,且前进侧晶粒尺寸小于返回侧。本文研究深入分析了搅拌摩擦焊接过程中的热力学机理,为车辆结构搅拌摩擦焊接工艺提供了理论指导,有助于推动车辆结构生产制造的发展。