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目“鋁合金車輪輕量化設(shè)計與開發(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，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)字化仿真與實驗研究相結(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、軟計算方法、疲勞設(shè)計、工藝優(yōu)化等技術(shù)集成，為實現(xiàn)低壓鑄造鋁合金車輪輕量化的最終目標提供理論依據(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)—殘余熔體模數(shù)判據(jù)，對縮松缺陷進行預(yù)測，試驗表明該判據(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)計和工藝設(shè)計完全依賴與工程技術(shù)人員經(jīng)驗的現(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)進行研究，采用Taguchi方法進行正交試驗設(shè)計，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)量目標的非線性模型，采用遺傳算法實現(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個參數(shù)進行優(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。鋁合金車輪的試驗以檢驗車輪安全性的臺架試驗為主，包括彎曲疲勞試驗、徑向疲勞試驗和沖擊試驗。在實際使用過程中，彎曲疲勞是鋁合金

5、車輪主要的失效形式。本文建立了動態(tài)彎曲疲勞試驗的有限元模型，根據(jù)應(yīng)力時間譜，計算得到應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，確定危險點，并通過實際應(yīng)力試驗和疲勞試驗驗證該有限元模型的準確性。建立13°沖擊試驗的簡化有限元模型，根據(jù)車輪應(yīng)力分布和危險部位最大應(yīng)力數(shù)值進行強度校核，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化車輪結(jié)構(gòu)，改善沖擊強度性能，通過實際車輪沖擊試驗驗證了該簡化模型的準確性和可靠性。 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，并與實際疲勞試驗對比，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)方法更為接近試驗壽命。但是該方法在載荷較低的情況下與試驗壽命還有較大差距，實際應(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，實際疲勞試驗驗證了該模型預(yù)測結(jié)果比傳統(tǒng)的只考慮應(yīng)力應(yīng)變的疲勞預(yù)測方法更為準確。 本文圍繞低壓鑄造鋁合金車輪設(shè)計制造，涉及鑄造數(shù)值模擬，微觀組織模擬，采用低壓鑄造數(shù)值模擬進行模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化，工藝參數(shù)優(yōu)