凝固界面換熱系數(shù)反求及鋁合金薄壁件低壓鑄造工藝優(yōu)化.pdf

1、為了提高鋁合金大型結(jié)構(gòu)件在汽車中的應(yīng)用,來降低汽車自重,減少油耗和尾氣排放,需要探索和開發(fā)鋁合金新的高效短流程加工工藝。本文在國家科技支撐計劃項目“汽車用高性能鋁合金整體壓鑄及高強(qiáng)度鋼沖壓成形工藝與裝備”和湖南省科技重大專項“車輛輕量化關(guān)鍵技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化示范”支持下,應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)對薄壁鋁合金件金屬型低壓鑄造工藝設(shè)計優(yōu)化及鑄件冷卻凝固過程中界面換熱行為方面做了大量的研究分析工作。
　　 本文的工作首先確定鑄件冷卻凝固過程中的

2、界面換熱系數(shù)來提高鑄造數(shù)值模擬的精度,再結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)和優(yōu)化技術(shù)對壁厚1.5mm鋁合金薄壁件低壓鑄造工藝進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。具體研究成果如下:
　　 1)分別使用兩種不同的反分析方法,即反熱傳導(dǎo)方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法,結(jié)合實驗測得的溫度數(shù)據(jù)求解確定了鑄件與金屬鑄型間的界面換熱系數(shù)在鑄件冷卻凝固過程中并不是一個常數(shù),而是不斷變化的。并且當(dāng)鑄件溫度降到液固兩相區(qū)時換熱系數(shù)迅速下降,鑄件完全凝固后,換熱系數(shù)較穩(wěn)定變化不大。其變化規(guī)律為鑄

3、造數(shù)值模擬邊界條件的設(shè)置提供了有價值的理論參考。
　　 2)為提高界面換熱系數(shù)求解精度,本文分別建立了一維正熱傳導(dǎo)與反熱傳導(dǎo)模型,并編制了相應(yīng)的計算機(jī)程序,通過與溫度場的解析解比較證實了正熱傳導(dǎo)模型的準(zhǔn)確性及程序計算的可靠性。并研究分析了反熱傳導(dǎo)模型中各種計算參數(shù)如阻尼系數(shù)μ、未來時間步長R及正熱傳導(dǎo)計算時的時間步長△t等對反算求解結(jié)果的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性的影響。
　　 3)建立了基于等效比熱法的反熱傳導(dǎo)模型,通過靠近界面位

4、置的溫度數(shù)據(jù)計算界面熱流或是界面換熱系數(shù)可以有效地處理凝固過程的潛熱釋放問題,并通過此模型計算得到了A356鋁合金與銅冷卻介質(zhì)間的界面熱流和界面換熱系數(shù)。結(jié)果表明界面熱流和換熱系數(shù)是隨鑄件凝固時間變化的,其變化范圍在1200Wm-2K-1和6200Wm-2K-1之間,而且變化過程中因為結(jié)晶潛熱的釋放存在兩個峰值。
　　 4)在準(zhǔn)確獲得鑄造數(shù)值模擬的重要邊界條件-界面換熱系數(shù)的前提下,考慮到薄壁件金屬低壓鑄造過程中液態(tài)金屬充型困難

5、的特點(diǎn),本文同時采用LVQ學(xué)習(xí)向量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和BP多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種模型構(gòu)造鑄造工藝參數(shù)與鑄件質(zhì)量表征間的多目標(biāo)函數(shù)關(guān)系。并結(jié)合數(shù)值模擬與正交實驗設(shè)計方法代替實際實驗來獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本,以減小實驗成本和提高計算效率。進(jìn)而再用遺傳算法對所建立的函數(shù)關(guān)系中的參數(shù)尋優(yōu)。
　　 5)采用優(yōu)化的工藝參數(shù)制備了壁厚1.5mm的完整鑄件,通過與工藝參數(shù)優(yōu)化前仿真和實驗結(jié)果比較,鑄件質(zhì)量明顯改善。為鋁合金薄壁件金屬型低壓鑄造技術(shù)的研究提