铝合金汽车轮毂低压铸造过程的数值模拟及工艺优化

论文摘要

铸造过程计算机模拟与仿真是信息科学、材料科学、工程力学及计算机图形学等各种学科的交叉科学,是先进制造科学的重要前沿领域。本论文针对铝合金轮毂铸件易产生“缩孔、疏松、夹渣”等铸造缺陷,导致成品率低,性能不高的问题,以铸造模拟软件ProCAST为工具,模拟了铝合金汽车轮毂低压铸造充型及凝固过程,优化铸造工艺、消除铸造缺陷、提高成品率以缩短产品开发周期、降低成本。并结合ANSYS进行考虑铸造残余应力的铝合金轮毂径向加载的应力分析,主要研究结果如下:1、研究了ProCAST软件的前处理方式,利用数据库软件VF6.0开发了“Data-Exchange”程序,解决了复杂铸件几何模型到有限元分析模型的数据传递问题。并与其他几种前处理方法进行了比较,结果表明,利用Pro/ENGINEER建模,Mechanica模块划分表面网格,通过编写的数据转换程序将表面网格数据转换为MeshCAST可以识别的文件格式,再进行体网格的划分是一条最为快捷有效的网格划分前处理工作路线。2、对SU0011型铝合金汽车轮毂进行了低压铸造充型及凝固过程的数值模拟,得到了其流场、温度场、以及凝固过程各部位固相率的变化情况,预测了收缩缺陷,并通过试生产进行了验证。根据模拟结果及实际生产情况优化了工艺,得到提高SU0011型号铝合金汽车轮毂低压铸造产品合格率的最佳工艺方案为:在侧模型腔壁上喷涂不同厚度（上薄下厚）的保温涂料以实现轮辋上部的顺序凝固,同时在135s到195s时间段内,采用最低流速为1.10m/s的冷却水对轮辐与轮辋交接部位的上模冷却管道、侧模冷却管道以及下模冷却管道冷却,使热节（轮辋与轮辐交接部位）消失,消除收缩缺陷,实现顺序凝固。3、利用MATLAB开发了“Exchange-Element”、“Read-Stress”和“ExchangeStress”程序,实现了ProCAST与ANSYS的连接,研究了含有铸造残余应力的轮毂外加载荷时的应力分布,模拟了车轮在安装后形成的“初始动态应力”:由于残余应力和车辆重力的方向并非都一致,受力情况应该是两种力的叠加,这种分析方法可以对含有铸造残余应力的汽车轮毂进行其他各种加载分析与结构优化设计,分析的结果更符合结构件的实际情况,提高了模拟的准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 国内外铸造数值模拟技术研究概况
• 1.2.1 温度场数值模拟
• 1.2.2 充型过程的数值模拟
• 1.2.3 应力场的数值模拟
• 1.2.4 微观组织的数值模拟
• 1.2.5 其它领域的数值模拟
• 1.2.6 国内铸造数值模拟发展状况
• 1.3 低压铸造铝合金轮毅的数值模拟研究进展
• 1.4 ProCAST软件介绍
• 1.4.1 国内外主要铸造软件的比较
• 1.4.2 ProCAST软件主要模块的功能
• 1.4.3 ProCAST软件结构
• 1.5 ANSYS软件介绍
• 1.5.1 ANSYS的特点
• 1.5.2 ANSYS的功能
• 1.5.3 ANSYS软件结构
• 1.6 本课题主要研究内容
• 第二章 ProCAST软件网格划分系统的二次开发
• 2.1 引言
• 2.2 ProCAST软件网格划分系统文件读入与处理方式
• 2.3 Pro/E与ProCAST各种连接方式的比较分析
• 2.3.1 实体方式
• 2.3.2 表面网格方式
• 2.3.3 体网格方式
• 2.4 复杂轮毂件的Pro/E与ProCAST连接分析
• 2.4.1 实体方式
• 2.4.2 表面网格方式
• 2.5 其他分析软件与ProCAST软件的连接
• 2.5.1 利用ANSYS划分表面网格
• 2.5.2 利用MSC PATRAN划分体网格
• 2.6 分析比较
• 2.7 本章小结
• 第三章 铝合金汽车轮毂低压铸造过程的模拟及工艺优化
• 3.1 引言
• 3.2 低压铸造模拟的理论基础
• 3.2.1 铸件充型过程数值模拟
• 3.2.2 铸件凝固过程数值模拟
• 3.2.3 铸件凝固过程缩孔、缩松预测
• 3.3 低压铸造SU0011轮毂模拟的前处理
• 3.3.1 SU0011三维实体造型及网格的划分
• 3.3.2 初始条件的确定
• 3.3.3 低压铸造机压力参数的设定
• 3.3.4 求解温度场时一些传热问题的确定及物性参数的选择
• 3.4 原工艺方案模拟及结果分析
• 3.4.1 充型过程计算结果及分析
• 3.4.2 凝固过程计算结果及分析
• 3.4.3 铸造收缩缺陷的计算结果及分析
• 3.4.4 SU0011型号轮毂结构分析
• 3.5 改进方案及实际效果分析
• 3.5.1 改进方案一—修改侧模模具
• 3.5.2 改进方案二—修改上模模具
• 3.5.3 轮辋与轮辐连接的R角部位冷却工艺方案
• 3.5.4 R角冷却工艺方案分析
• 3.5.5 通过在型腔壁上喷涂料的方法实现J部的顺序凝固
• 3.6 修改方案总结
• 3.7 本章小结
• 第四章 考虑铸造残余应力的铝合金轮毂径向加载的应力分析
• 4.1 引言
• 4.2 ProCAST计算轮毂铸造残余应力
• 4.2.1 铸造应力场数值模拟的理论基础
• 4.2.2 铸造应力场的模拟计算结果
• 4.3 ProCAST与ANSYS的连接
• 4.3.1 ProCAST网格单元与ANSYS软件的连接
• 4.3.2 ProCAST计算生成的应力文件与ANSYS的连接
• 4.4 利用ANSYS对轮毂铸件进行结构分析
• 4.4.1 仅施加径向载荷的分析
• 4.4.2 仅考虑铸造残余应力的分析
• 4.4.3 综合考虑铸造残余应力和径向载荷的分析
• 4.5 分析比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 主要结论
• 第六章 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文