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基于过程集成技术的铝合金轮毂疲劳寿命研究

徐立  
【摘要】: 本论文的研究背景来源于本实验室与某轮毂工厂合作的“数字化设计制造系统”项目。为了使铝合金轮毂重量更轻、性能更好以达到节约能源的目的,本文以低压铸造铝合金轮毂为主要研究对象,在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、模拟仿真与实验研究相结合的方法,系统地将轮毂制造过程中的铸造过程、热处理过程、机加工过程和实验加载过程进行集成,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。 本文研究的工作内容主要分为以下几个方面: 1.铝合金轮毂是通过低压铸造工艺生产的,由于铝合金中氢溶解率变化的特性,铝合金铸造过程会形成气孔和缩松的缺陷,影响铸件的整体性能。铝合金的气孔和缩松缺陷正处于研究中,其机理现在还没完整的数学方程可以表达。本论文结合铝合金轮毂低压铸造的特点,在前人研究的基础上,结合工厂的实际生产经验和实验对比,提出适用于铝合金轮毂的球冠气孔缺陷预测模型,较之传统的球型气孔缺陷模型相比,可提高气孔预测精度。 2.残余应力是影响轮毂应力状态分布的主要因素之一,论文采用理论模型和有限元模拟的方法对轮毂进行求解。铝合金轮毂经过T6热处理后会产生热处理残余应力,利用有限元软件模拟轮毂热处理过程,研究该过程中残余应力的分布规律。本文第一次通过反求法得到铝合金轮毂T6热处理过程的传热系数函数,为轮毂应力分析的准确性提供了基础。随后对轮毂毛坯进行机加工以切除多余材料,在轮毂含有热处理残余应力的基础上,运用任意拉各朗日欧拉(ALE)方法,模拟机加工产生的残余应力。为了加快计算效率和精度,节省计算机资源,计算过程采用了一种调整的时间效率计算方法,使计算时间大大缩短。 3.疲劳寿命是铝合金轮毂的一个最重要的质量指标,汽车零部件厂商期望得到经济型的疲劳寿命,即满足轮毂工况要求同时最有效的利用材料。本论文的疲劳寿命预测以裂纹扩展模型为基础,结合轮毂的制造过程,在裂纹扩展模型的基础上,综合了制造过程缺陷的影响因素,提出了适用于低压铸造铝合金轮毂的轮毂疲劳寿命预测模型。与一般局部应力应变法相比,应用此模型所预测出来的轮毂疲劳寿命的准确性得到了显著的提高。 4.过程集成模型将单个的材料成型过程结合到模型中,从而提供满足工业需要的求解方法。在过程集成模型中,每一个处理过程的边界条件作为该过程的输入,同时前一个过程的输出结果也要作为该过程输入参数。这样就能将单个过程作为整体集成,满足不同尺度间连续性的要求,进而得到更精确的解。该集成模型解决了微观模型与宏观模型之间的尺度转换和参数传递问题,综合考虑了铸造微观组织、热处理和机加工残余应力以及疲劳实验加载对最终疲劳寿命的影响。将该过程集成模型与轮毂疲劳寿命预测相结合,能提高疲劳寿命预测的准确度。 5.为了满足汽车零部件厂商的要求,达到轮毂轻量化设计的目标,本论文采用“神经网络”的优化算法对轮毂的几何尺寸和制造过程中的关键控制参数进行优化。通过几何尺寸与制造参数的优化组合,更符合生产实际的满足轻量化的目标。 论文围绕低压铸造铝合金轮毂的设计和制造过程,将铸造过程、热处理过程、机加工过程和实验加载过程对轮毂性能的影响考虑进轮毂过程集成模型中。基于理论模型、数值模拟技术和实测实验,对铸造过程微观组织、热处理和机加工残余应力、实验加载应力分布进行了深入的研究,并以此为基础,采用DOE方法和BP种经网络遗传算法对轮毂结构和制造工艺进行优化,最终实现了轮毂设计和制造流程的CAE集成。


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