搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)作为一种新型固相连接技术,尤其适合于铝镁等轻质合金的焊接,已在轨道车辆、航空航天结构的连接中广泛应用。常规的FSW搅拌头通常为单轴肩结构,使得焊缝根部易发生未焊透等缺陷,且难以对一些复杂曲面结构进行焊接。为了打破传统搅拌摩擦焊的局限性,人们开始关注和发展双轴肩搅拌摩擦焊技术(Bobbin tool friction stir welding,BT-FSW),目前国内外对BT-FSW的研究仍然较少,其成形过程及机理仍有待进一步阐释。因此,对BT-FSW过程进行深入的数值模拟研究工作显得十分必要。本文基于计算固体力学和计算流体力学途径,建立三维数值模型,对BT-FSW焊接过程进行仿真研究,深入考查和揭示焊接过程中温度场以及材料流动和变形等的分布与变化规律,主要研究内容如下:(1)基于计算固体力学途径,采用DEFORM-3D软件,针对5mm厚AZ91镁合金板材建立BT-FSW全热-力耦合仿真模型。探究同速双轴肩、差速双轴肩和上轴肩静止三种工艺焊接过程中温度场和应变场的异同,并给出了定量分析。此外,利用质点追踪法对三种工艺水平方向及厚度方向材料流动规律进行了对比分析。(2)基于计算流体力学途径,采用ANSYS-FLUENT软件,同样针对5mm厚AZ91镁合金板材,建立BT-FSW热-流耦合仿真模型。从流体力学的角度探讨同速双轴肩、差速双轴肩和上轴肩静止三种工艺下的温度、速度及粘度等特征量的分布和变化规律的异同,并给出了定量分析。此外,还与基于计算固体力学刚粘塑性有限元法的模拟结果进行了对比分析。(3)基于计算流体力学途径,本文还探析了左旋螺纹、右旋螺纹及双向螺纹搅拌针对BT-FSW焊接过程中温度场和流场的影响,其中重点研究了螺纹对材料垂向流动的影响作用。通过数值模拟的手段,充分结合计算固体力学和计算流体力学两种途径的特点和优势,更加全面、深入地理解BT-FSW焊接过程。