铝合金轮毂低压铸造凝固过程温度场数值模拟及模具工艺优化

论文摘要

铝合金轮毂与传统的钢轮毂相比,具有重量轻、散热性好、舒适性佳、节省油耗、外表美观等优点,已经得到广泛应用。低压铸造是生产铝合金轮毂的主要方法之一,它是一种近无余量铸造工艺,相比于传统铸造具有明显的优势,是铸造的发展方向之一。金属凝固过程数值模拟是计算机在铸造生产中应用的核心内容,涉及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多种学科,是国际上公认的用计算机拓宽和促进铸造学科向前发展的学科前沿领域。对金属凝固过程进行数值模拟,可以大大提高模具的设计精度和可靠性,缩短设计周期。本文针对某型号铝合金轮毂生产中常出现的缩孔、缩松等铸造缺陷问题,基于传热学及有限元理论,利用Pro/e进行实体造型及模具设计,然后利用ANSYS对铸造凝固过程进行数值模拟,最后通过正交实验对模具工艺进行优化。根据传热学理论,铝合金轮毂凝固过程中系统的温度和系统内能随时间有明显的变化,凝固过程的相变问题需要考虑凝固潜热,铸件凝固过程热分析属于非线性的。同时针对该过程有限元的特点,进行了非线性瞬态温度场热传导有限元求解。本文采用CAD软件Pro/e与CAE软件ANSYS相结合的方法,即采用Pro/e建立实体模型,利用ANSYS划分网格,建立有限元模型,并进行数值模拟。计算中,为兼顾计算精度与计算效率,对模型进行了适当的简化处理。利用ANSYS热分析功能,对铝合金轮毂进行瞬态非线性温度场分析和计算机模拟仿真,发现轮毂轮辋与轮辐交接部位有明显的“孤岛缺陷”,模拟结果与实际生产吻合。通过正交实验的方法对模具工艺进行优化,选取对铸件成型过程影响较大的4个因素:侧模、下模、上模冷却水道中冷却水流动速度v1、v2、v3以及侧模温度T,每个因素安排3个水平。最终得到最佳优化方案为:侧模、上模、下模冷却水流速分别为0.5m/s、1m/s、1m/s,同时侧模温度由初始方案的300℃降至200℃。并通过模拟仿真证明该组合对于抑制孤岛效应、改进铸件质量、提高生产效率、延长模具寿命具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铸造凝固过程数值模拟方法的研究与发展现状
• 1.2.1 数值模拟基本方法
• 1.2.2 铸件凝固过程温度场数值模拟技术的发展
• 1.3 选题背景及意义
• 1.3.1 选题背景
• 1.3.2 选题意义
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第二章 铸造凝固过程温度场模拟的基本理论
• 2.1 传热学经典理论回顾
• 2.1.1 热传递的基本方式
• 2.1.2 热力学第一定律
• 2.2 铸造温度场热分析的基本方程
• 2.3 有限元法介绍
• 2.4 铸造过程有限元的特点
• 2.5 铸造过程非线性瞬态温度场热传导的有限元求解
• 本章小结
• 第三章 轮毂几何模型与有限元模型的建立
• 3.1 三维建模以及模具设计
• 3.1.1 实体造型
• 3.1.2 模具设计
• 3.2 Pro/E与ANSYS数据转换
• 3.2.1 直接法导入Pro/E文件
• *.igs）格式'>3.2.2 通过IGES File（^*.igs）格式
• 3.2.3 两种连接方法实例比较
• 3.3 有限元模型的建立
• 本章小结
• 第四章 轮毂低压铸造凝固过程的数值模拟及结果分析
• 4.1 轮毂铸件和模具的热物性参数的设定
• 4.2 初始条件的确定
• 4.3 边界条件的处理
• 4.3.1 模具与外界空气对流换热系数的确定
• 4.3.2 模具与内部冷却水对流换热系数的确定
• 4.4 轮毂凝固过程三维温度场的有限元分析
• 4.4.1 分析过程
• 4.4.2 结果分析
• 4.5 误差分析
• 本章小结
• 第五章 轮毂低压铸造模具及工艺优化设计
• 5.1 正交实验法确定工艺方案
• 5.1.1 正交实验法简介
• 5.1.2 正交实验程序
• 5.2 结果分析
• 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的主要工作及结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文