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)代化的必然產物。本文以浙江大學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，在查閱國內外大量文獻，吸收相關學科的新思想、新理論、新方法、新技術的基礎上，采用理論研究、數(shù)字化仿真與實驗研究相結合的研究方法，系統(tǒng)地將鑄造數(shù)值模擬、結構有限元分析、軟計算方法、疲勞設計、工藝優(yōu)化等技術集成，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、和技術手段。本文研究工作主要有以下幾個方面： 1.基于流體力學、傳熱學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)值模擬的結果進行模具結構優(yōu)化和工藝參數(shù)設置

3、與調整，提高鑄件質量和力學性能。改變了目前模具設計和工藝設計完全依賴與工程技術人員經(jīng)驗的現(xiàn)狀。 2.低壓鑄造是復雜的工藝過程，影響鑄件質量和力學性能的因素很多，鑄件質量控制難度大。本文對鑄造工藝采取了適當簡化和假設，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計，分析各種工藝參數(shù)對鋁合金車輪質量的影響。采用神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法相結合的軟計算優(yōu)化方法，基于鑄造數(shù)值模擬結果，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡建立

4、鑄造工藝參數(shù)與控制質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)應力時間譜，計算得到應力幅和平均應力，確定危險點，并通過實際應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)車輪應力分布和危險部位最大應力數(shù)值進行強度校核，在此基礎上優(yōu)化車輪結構，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.基于有限元分析結果，分別采用名義應力、局部應力應變方法預測鋁合金車輪彎曲

6、疲勞壽命，并與實際疲勞試驗對比，發(fā)現(xiàn)局部應力應變法結合Simth-Waston-Topper損傷公式預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，實際應用中應注意。 5.將斷裂力學基本理論和損傷容限設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集成。初步構建了一個綜合的鑄造過程、鑄造缺陷以及相關下游制造工藝對產品性能影響的平臺。與傳統(tǒng)疲勞壽命預測方法名義應力法和局部應力應變法對比。以某型車輪為例，實際疲勞試驗驗證了該模型預測結果比傳統(tǒng)的只考慮應力應變的疲勞預測方法更為準確。 本文圍繞低壓鑄造鋁合金車輪設計制造，涉及鑄造數(shù)值模擬，微觀組織模擬，采用低壓鑄造數(shù)值模擬進行模具結構優(yōu)化，工藝參數(shù)優(yōu)