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铝合金车轮数字化仿真及工艺优化

作　者: 张响
导　师: 童水光
学　校: 浙江大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 铸造数值模拟软计算神经网络遗传算法工艺优化有限元分析疲劳分析铝合金车轮低压铸造
分类号: TG27
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-27
  1.1 工程背景及研究意义  11-12
  1.2 低压铸造铝合金车轮制造  12-15
    1.2.1 车轮制造工艺  13
    1.2.2 低压铸造车轮制造工艺流程  13-14
    1.2.3 低压铸造工艺  14-15
  1.3 数值模拟技术在车轮制造中的应用  15-20
    1.3.1 铸造数值模拟  15-19
    1.3.2 结构有限元分析  19-20
  1.4 国内外研究工作概况及发展方向  20-25
    1.4.1 国外研究概况  20-22
    1.4.2 国内研究概况  22-25
  1.5 本文研究内容  25-27
第二章铝合金车轮铸造数值模拟  27-65
  2.1 铸造数值模拟概况  27
  2.2 充型过程数值模拟  27-39
    2.2.1 数学模型  28-29
    2.2.2 连续性方程和N-S方程的离散  29-33
    2.2.3 求解速度场和压力场  33-34
    2.2.4 体积函数方程的离散  34-36
    2.2.5 VOF法处理自由表面  36-37
    2.2.6 充型湍流模型  37-39
  2.3 凝固过程数值模拟  39-46
    2.3.1 凝固过程中的传热  39-40
    2.3.2 传热方程的离散  40
    2.3.3 初始及边界条件  40-41
    2.3.4 凝固过程相变的处理  41-44
    2.3.5 凝固缺陷模型  44-46
  2.4 微观组织数值模拟  46-49
    2.4.1 确定性模拟方法  47-48
    2.4.2 随机性模拟方法  48-49
  2.5 氧化夹杂模拟  49-50
  2.6 数值模拟应用案例  50-64
    2.6.1 增压曲线设置与优化  50-55
    2.6.2 模具结构优化  55-60
    2.6.3 模具温度控制  60-64
  2.7 本章小论  64-65
第三章工艺参数对铝合金车轮质量的影响分析  65-80
  3.1 Taguchi实验设计方法  65-68
    3.1.1 正交矩阵  66
    3.1.2 信噪比  66-67
    3.1.3 实验设计步骤  67-68
    3.1.4 多指标正交设计  68
  3.2 工艺参数对铝合金车轮质量的影响研究  68-79
    3.2.1 实验设计  70-71
    3.2.2 实验结果  71-73
    3.2.3 工艺条件对考核指标的影响分析  73-78
    3.2.4 工艺参数优化及优化性能预测  78
    3.2.5 实验结果验证  78-79
  3.3 本章小结  79-80
第四章基于软计算的铝合金车轮工艺优化  80-113
  4.1 软计算在工艺优化中的应用  80-81
    4.1.1 软计算的概念  80
    4.1.2 软计算的应用  80-81
  4.2 神经网络质量控制模型  81-97
    4.2.1 人工神经网络  81
    4.2.2 BP神经网络  81-84
    4.2.3 BP算法的改进  84-86
    4.2.4 质量控制模型的建立  86-97
  4.3 遗传算法工艺优化  97-105
    4.3.1 遗传算法概述  97-98
    4.3.2 低压铸造工艺优化问题描述  98-99
    4.3.3 遗传算法工艺优化的实现  99-105
  4.4 算例分析  105-111
    4.4.1 单目标优化  105-108
    4.4.2 多目标优化  108-111
  4.5 本章小结  111-113
第五章铝合金车轮结构有限元分析  113-130
  5.1 铝合金车轮性能试验  113-114
  5.2 车轮结构有限元分析  114-119
    5.2.1 有限元分析理论基础  115-118
    5.2.2 弯曲试验有限元模型  118-119
  5.3 车轮弯曲试验有限元分析  119-122
    5.3.1 有限元模型  119-120
    5.3.2 边界条件与载荷设置  120
    5.3.3 算例分析  120-122
  5.4 弯曲静力分析实验验证  122-125
    5.4.1 实验设备  122-123
    5.4.2 实验步骤  123
    5.4.3 结果分析  123-125
  5.5 冲击试验有限元分析及优化  125-129
    5.5.1 简化有限元模型  126
    5.5.2 算例分析  126-129
  5.6 本章小结  129-130
第六章集成铸造数值模拟的车轮疲劳分析  130-152
  6.1 车轮弯曲疲劳试验  130-132
    6.1.1 试验方法  130-131
    6.1.2 试验结果  131-132
    6.1.3 试验分析  132
  6.2 车轮弯曲疲劳分析  132-138
    6.2.1 名义应力法  132-134
    6.2.2 局部应力应变法  134-135
    6.2.3 算例分析  135-138
  6.3 集成铸造数值模拟的弯曲疲劳分析  138-149
    6.3.1 铝合金车轮铸造缺陷  139-142
    6.3.2 组织与缺陷对疲劳的影响  142-145
    6.3.3 铸造缺陷模型  145
    6.3.4 微观结构模型  145-146
    6.3.5 疲劳分析集成模型的建立  146-149
  6.4 算例分析  149-151
    6.4.1 铸造数值模拟  149
    6.4.2 有限元模拟  149-150
    6.4.3 疲劳寿命计算  150
    6.4.4 结果与讨论  150-151
  6.5 本章小结  151-152
第七章总结与展望  152-155
  7.1 总结  152-153
  7.2 展望  153-155
参考文献  155-165
附录A: 五因素四水平正交实验矩阵L16(4~5)  165-166
附录B: 16×6.5J车轮弯曲疲劳试验数据  166-172
攻读博士学位期间发表的学术论文  172-173
致谢  173

铝合金车轮数字化仿真及工艺优化

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