基于数值模拟的铝合金发动机罩板砂型铸造的研究

论文摘要

凝固过程温度场数值模拟是铸造CAE技术的核心内容之一，是预测铸件缩孔、缩松、裂纹和偏析等缺陷的基本。温度场数值模拟所必需的材料热物性参数、初始条件以及边界条件等等都直接影响模拟精度，影响铸造CAE技术推广应用。在铸造过程中，铸件-铸型界面换热行为决定着铸件的凝固过程，因而直接影响着铸件内部组织的形成和演化、相关缺陷的产生和分布以及最终的力学性能等。界面换热系数是一个表征铸件-铸型界面换热行为的重要参数，由于其特殊的重要性，精确地求解该参数就成为了研究工作者广泛关注的课题。本文进行了系统的砂型铸造实验，建立了求解界面换热系数的反算模型，通过使用ProCAST铸造CAE软件，采用以实验测得的温度为基础，结合数值模拟方法和优化方法的反分析方法计算求解了A356铝合金铸件冷却凝固过程中铸件与砂型之间的界面换热系数，分析了铸件与铸型间界面换热系数随界面温度变化的关系，最终反求获得界面传热系数；然后采用此反求获得的界面传热系数建立了铝合金发动机罩板砂型铸造模型，通过此模型对比优化确定了发动机罩板浇注系统；采用有限元模拟技术，对不同浇注方式下A356铝合金大型薄壁件的充型、凝固过程进行仿真，预测了不同浇注方式下薄壁件可能出现缺陷的位置，对比分析了各种浇注系统的优缺点。仿真结果表明，雨淋式浇注系统有利于铝合金大型薄壁件的充型，其充型过程平稳，凝固有序，卷气、缩孔缩松现象较少。选用雨淋式浇注系统，通过实验最终获得充型完整，轮廓清晰，表面粗糙度较小，且铸件表面的粘砂现象不多，无表面裂纹的汽车前盖板铸件。验证了通过反分析方法求解的换热系数的有效性和正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 汽车产业的节能减排
• 1.1.2 铝合金在汽车中的应用
• 1.1.3 铸造汽车用铝合金薄壁件的优势
• 1.2 砂型铸造概况
• 1.2.1 砂型铸造的概念和原理
• 1.2.2 砂型铸造工艺特点
• 1.3 浇铸设计介绍
• 1.3.1 浇铸位置设计
• 1.3.2 浇铸系统类型设计
• 1.4 铸造数值模拟
• 1.4.1 传统铸造实验的不足
• 1.4.2 铸造数值模拟发展和优势
• 1.4.3 铸造数值模拟的缺点
• 1.5 铸造过程中的界面传热
• 1.5.1 界面换热系数的定义
• 1.5.2 界面换热系数的求解
• 1.5.3 界面传热过程的变化阶段
• 1.6 课题目的
• 第2章 砂型铸造中传热系数的反求
• 2.1 ProCAST 简介
• 2.1.1 软件介绍
• 2.1.2 软件的模块组成
• 2.1.3 软件的模拟分析流程
• 2.1.4 软件的特点
• 2.1.5 软件的适用范围
• 2.2 ProCAST 反求的数学模型及算法
• 2.2.1 换热系数反求的数字模型
• 2.2.2 换热系数反分析求解的计算流程
• 2.3 实验方案以及模型的建立
• 2.3.1 实验方案
• 2.3.2 实验模型
• 2.4 反求过程
• 2.4.1 实验结果
• 2.4.2 模拟实验
• 2.4.3 结论
• 第3章 浇铸系统理论设计
• 3.1 浇铸系统设计
• 3.1.1 铸件分析
• 3.1.2 三种浇铸方案的确定
• 3.1.3 三种浇铸方案的铸件几何模型
• 3.2 三种浇铸系统方案计算机模拟仿真
• 3.2.1 模拟仿真的基本参数
• 3.2.2 模拟仿真的其他注意事项
• 3.2.3 模拟仿真结果
• 3.2.4 模拟仿真结果对比
• 第4章 砂型铸造实验
• 4.1 A356 铝合金化学成份分析
• 4.2 合金元素以及杂质元素对 A356 合金组织和性能的影响
• 4.3 A356 合金成份配比
• 4.4 A356 铝合金的熔炼以及质量控制
• 4.4.1 合金原料及其质量
• 4.4.2 合金熔炼的质量控制
• 4.5 浇铸实验结果以及分析
• 4.6 铸件的性能分析
• 4.6.1 性能研究方法
• 4.6.2 试样制备
• 4.6.3 拉伸试验及结果
• 结论
• 参考文献
• 致谢