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铝合金车轮数字化仿真及工艺优化

张响  
【摘要】: 铝合金车轮是现代汽车轻量化、高速化、现代化的必然产物。本文以浙江大学与浙江万丰奥威汽轮股份有限公司合作项目“铝合金车轮轻量化设计与开发”为背景,以低压铸造铝合金车轮为主要研究对象,在查阅国内外大量文献,吸收相关学科的新思想、新理论、新方法、新技术的基础上,采用理论研究、数字化仿真与实验研究相结合的研究方法,系统地将铸造数值模拟、结构有限元分析、软计算方法、疲劳设计、工艺优化等技术集成,为实现低压铸造铝合金车轮轻量化的最终目标提供理论依据和技术手段。本文研究工作主要有以下几个方面: 1.基于流体力学、传热学基本原理和铸件成型理论,采用改进的SOLA方法,通过求解压力泊松方程修正压力,VOF方法跟踪自由界面,实现低压铸造充型过程的数值模拟。利用一种新的缩松缺陷判据—残余熔体模数判据,对缩松缺陷进行预测,试验表明该判据比通常使用的Niyama判据更适用于低压铸造铝合金车轮。采用确定性模型实现微观组织的模拟。利用铸造充型凝固数值模拟的结果进行模具结构优化和工艺参数设置与调整,提高铸件质量和力学性能。改变了目前模具设计和工艺设计完全依赖与工程技术人员经验的现状。 2.低压铸造是复杂的工艺过程,影响铸件质量和力学性能的因素很多,铸件质量控制难度大。本文对铸造工艺采取了适当简化和假设,将各部位模具温度和浇注温度作为工艺参数进行研究,采用Taguchi方法进行正交试验设计,分析各种工艺参数对铝合金车轮质量的影响。采用神经网络和遗传算法相结合的软计算优化方法,基于铸造数值模拟结果,利用人工神经网络建立铸造工艺参数与控制质量目标的非线性模型,采用遗传算法实现铸造工艺参数的优化。以某型低压铸造A356铝合金车轮为例,对浇注温度,上模温度、下模温度、侧模温度、模芯温度5个参数进行优化,得到最佳的工艺组合,有效控制缩松缺陷和凝固时间。 3.车轮是汽车上重要的安全部件,其力学性能和疲劳性能直接影响汽车的行驶安全。铝合金车轮的试验以检验车轮安全性的台架试验为主,包括弯曲疲劳试验、径向疲劳试验和冲击试验。在实际使用过程中,弯曲疲劳是铝合金车轮主要的失效形式。本文建立了动态弯曲疲劳试验的有限元模型,根据应力时间谱,计算得到应力幅和平均应力,确定危险点,并通过实际应力试验和疲劳试验验证该有限元模型的准确性。建立13°冲击试验的简化有限元模型,根据车轮应力分布和危险部位最大应力数值进行强度校核,在此基础上优化车轮结构,改善冲击强度性能,通过实际车轮冲击试验验证了该简化模型的准确性和可靠性。 4.基于有限元分析结果,分别采用名义应力、局部应力应变方法预测铝合金车轮弯曲疲劳寿命,并与实际疲劳试验对比,发现局部应力应变法结合Simth-Waston-Topper损伤公式预测铝合金车轮弯曲疲劳寿命比其他传统方法更为接近试验寿命。但是该方法在载荷较低的情况下与试验寿命还有较大差距,实际应用中应注意。 5.将断裂力学基本理论和损伤容限设计方法引入铝合金车轮疲劳寿命分析。充分考虑铸造缺陷和微观组织对疲劳寿命的影响,提出并建立了基于小裂纹扩展理论的低压铸造铝合金A356-T6车轮的以二次枝晶臂间距、针孔尺寸为参数的车轮疲劳寿命预测模型,实现了铸造多尺度模拟、有限元分析与疲劳分析的技术集成。初步构建了一个综合的铸造过程、铸造缺陷以及相关下游制造工艺对产品性能影响的平台。与传统疲劳寿命预测方法名义应力法和局部应力应变法对比。以某型车轮为例,实际疲劳试验验证了该模型预测结果比传统的只考虑应力应变的疲劳预测方法更为准确。 本文围绕低压铸造铝合金车轮设计制造,涉及铸造数值模拟,微观组织模拟,采用低压铸造数值模拟进行模具结构优化,工艺参数优化。利用Taguchi实验设计方法和软计算方法,建立铸件质量与工艺参数的神经网络模型,采用神经网络算法实现工艺优化。基于有限元技术,建立铝合金车轮动态弯曲疲劳试验模型,对车轮弯曲疲劳寿命进行预测;建立冲击试验简化有限元模型,优化车轮冲击性能。集成铸造宏观模拟、微观组织模拟、铸造缺陷模拟、结构有限元分析结果到疲劳寿命分析,实现工艺过程模拟与结构有限元模拟的数字化仿真技术集成。


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