鋁合金車輪數(shù)字化仿真及工藝優(yōu)化.pdf

1、鋁合金車輪是現(xiàn)代汽車輕量化、高速化、現(xiàn)代化的必然產(chǎn)物。本文以浙江大學(xué)與浙江萬豐奧威汽輪股份有限公司合作項(xiàng)目“鋁合金車輪輕量化設(shè)計(jì)與開發(fā)”為背景，以低壓鑄造鋁合金車輪為主要研究對象，在查閱國內(nèi)外大量文獻(xiàn)，吸收相關(guān)學(xué)科的新思想、新理論、新方法、新技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用理論研究、數(shù)字化仿真與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)地將鑄造數(shù)值模擬、結(jié)構(gòu)有限元分析、軟計(jì)算方法、疲勞設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化等技術(shù)集成，為實(shí)現(xiàn)低壓鑄造鋁合金車輪輕量化的最終目標(biāo)提供理論依據(jù)

2、和技術(shù)手段。本文研究工作主要有以下幾個(gè)方面： 1.基于流體力學(xué)、傳熱學(xué)基本原理和鑄件成型理論，采用改進(jìn)的SOLA方法，通過求解壓力泊松方程修正壓力，VOF方法跟蹤自由界面，實(shí)現(xiàn)低壓鑄造充型過程的數(shù)值模擬。利用一種新的縮松缺陷判據(jù)—?dú)堄嗳垠w模數(shù)判據(jù)，對縮松缺陷進(jìn)行預(yù)測，試驗(yàn)表明該判據(jù)比通常使用的Niyama判據(jù)更適用于低壓鑄造鋁合金車輪。采用確定性模型實(shí)現(xiàn)微觀組織的模擬。利用鑄造充型凝固數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝參數(shù)設(shè)置

3、與調(diào)整，提高鑄件質(zhì)量和力學(xué)性能。改變了目前模具設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)完全依賴與工程技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)狀。 2.低壓鑄造是復(fù)雜的工藝過程，影響鑄件質(zhì)量和力學(xué)性能的因素很多，鑄件質(zhì)量控制難度大。本文對鑄造工藝采取了適當(dāng)簡化和假設(shè)，將各部位模具溫度和澆注溫度作為工藝參數(shù)進(jìn)行研究，采用Taguchi方法進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析各種工藝參數(shù)對鋁合金車輪質(zhì)量的影響。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相結(jié)合的軟計(jì)算優(yōu)化方法，基于鑄造數(shù)值模擬結(jié)果，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立

4、鑄造工藝參數(shù)與控制質(zhì)量目標(biāo)的非線性模型，采用遺傳算法實(shí)現(xiàn)鑄造工藝參數(shù)的優(yōu)化。以某型低壓鑄造A356鋁合金車輪為例，對澆注溫度，上模溫度、下模溫度、側(cè)模溫度、模芯溫度5個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳的工藝組合，有效控制縮松缺陷和凝固時(shí)間。 3.車輪是汽車上重要的安全部件，其力學(xué)性能和疲勞性能直接影響汽車的行駛安全。鋁合金車輪的試驗(yàn)以檢驗(yàn)車輪安全性的臺架試驗(yàn)為主，包括彎曲疲勞試驗(yàn)、徑向疲勞試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。在實(shí)際使用過程中，彎曲疲勞是鋁合金

5、車輪主要的失效形式。本文建立了動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)的有限元模型，根據(jù)應(yīng)力時(shí)間譜，計(jì)算得到應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，確定危險(xiǎn)點(diǎn)，并通過實(shí)際應(yīng)力試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證該有限元模型的準(zhǔn)確性。建立13°沖擊試驗(yàn)的簡化有限元模型，根據(jù)車輪應(yīng)力分布和危險(xiǎn)部位最大應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行強(qiáng)度校核，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化車輪結(jié)構(gòu)，改善沖擊強(qiáng)度性能，通過實(shí)際車輪沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證了該簡化模型的準(zhǔn)確性和可靠性。 4.基于有限元分析結(jié)果，分別采用名義應(yīng)力、局部應(yīng)力應(yīng)變方法預(yù)測鋁合金車輪彎曲

6、疲勞壽命，并與實(shí)際疲勞試驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn)局部應(yīng)力應(yīng)變法結(jié)合Simth-Waston-Topper損傷公式預(yù)測鋁合金車輪彎曲疲勞壽命比其他傳統(tǒng)方法更為接近試驗(yàn)壽命。但是該方法在載荷較低的情況下與試驗(yàn)壽命還有較大差距，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意。 5.將斷裂力學(xué)基本理論和損傷容限設(shè)計(jì)方法引入鋁合金車輪疲勞壽命分析。充分考慮鑄造缺陷和微觀組織對疲勞壽命的影響，提出并建立了基于小裂紋擴(kuò)展理論的低壓鑄造鋁合金A356-T6車輪的以二次枝晶臂間距、針孔尺

7、寸為參數(shù)的車輪疲勞壽命預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了鑄造多尺度模擬、有限元分析與疲勞分析的技術(shù)集成。初步構(gòu)建了一個(gè)綜合的鑄造過程、鑄造缺陷以及相關(guān)下游制造工藝對產(chǎn)品性能影響的平臺。與傳統(tǒng)疲勞壽命預(yù)測方法名義應(yīng)力法和局部應(yīng)力應(yīng)變法對比。以某型車輪為例，實(shí)際疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型預(yù)測結(jié)果比傳統(tǒng)的只考慮應(yīng)力應(yīng)變的疲勞預(yù)測方法更為準(zhǔn)確。 本文圍繞低壓鑄造鋁合金車輪設(shè)計(jì)制造，涉及鑄造數(shù)值模擬，微觀組織模擬，采用低壓鑄造數(shù)值模擬進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化，工藝參數(shù)優(yōu)