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汽车用铝合金车轮低压铸造过程的数值模拟及其疲劳性能分析

作　者: 周堃
导　师: 赵玉涛
学　校: 江苏大学
专　业: 材料学
关键词: 铝合金汽车车轮低压铸造 ProCAST 数值模拟残余应力 ANSYS 结构分析
分类号: U463.34
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

铸造过程计算机模拟与仿真同结构有限元分析技术是信息科学、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。针对传统凭借经验设计制造车轮的过程中存在设计造型盲目性大、铸件成品率低、检测周期长的问题,本论文采用了计算机辅助造型技术及有限元分析方法,研究了车轮从初始造型设计到铸件生产过程数值模拟,最后到产品结构疲劳性能分析的全过程,这样能够迅速发现产品设计和生产中存在的问题,通过优化设计,提高产品成品率同时改善结构薄弱环节以缩短开发周期、降低成本,主要研究内容如下:1、详细分析了车轮造型设计的组成要素,考虑了车轮造型设计中所涉及的各种要求和标准,并通过三维造型技术对车轮实体建模,在此基础上归纳总结了现代CAD建模技术的特点。2、结合SU0011车轮的开发和制造要求,对其实际低压铸造过程进行了数值模拟,计算了车轮充型和凝固过程中的流场和温度场,预测了缩孔、缩松等缺陷,并就缺陷产生原因进行了分析,然后提出改进方案,优化了产品制造工艺,满足高铸造成品率的实际生产要求。3、针对结构优化设计过程中忽略的残余应力问题进行了分析,计算了车轮铸件的铸造残余应力,通过开发的接口程序将车轮的有限元网格信息和残余应力信息输入到ANSYS中,利用ANSYS的结构分析模块对车轮进行了加载计算,模拟了含有铸造残余应力的车轮在装车后形成的初始应力现象。这样的分析更符合铸件的实际生产情况,对后续的工作具有指导性意义。4、对铝合金车轮的弯曲疲劳强度试验进行了数值模拟,根据实际工况建立起车轮的有限元模型,在考虑铸造残余应力的基础上研究了螺栓预紧力、旋转离心力和试验弯矩对车轮结构强度的影响以及车轮结构的应力应变分布规律。同时,利用动态应变仪采集危险点的应力信号分析实际应力分布状态,结果表明:计算值与实测值间误差只有4%,有限元计算结果准确可靠,车轮结构能够满足强度的使用要求,利用有限元技术从结构使用强度上证明了车轮设计的合理性,同时对车轮结构的薄弱环节提出了修改方案,对车轮结构进行优化设计,做到节省材料的同时改善受力状况。经某车轮有限公司的实际验证,本文进行的汽车铝合金车轮的造型设计、低压铸造过程数值模拟及工艺优化和疲劳强度模拟验证的研究工作,具有很好的应用性、较大的通用性和工程实践价值,在合作项目中,取得了较大的经济效益。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-25
  1.1 选题意义  12-16
  1.2 国内外数值模拟技术的研究进展  16-20
    1.2.1 铸造数值模拟技术研究概况  16-17
    1.2.2 有限元技术应用于车轮结构设计的研究进展  17-19
    1.2.3 车轮疲劳性能的研究进展  19-20
  1.3 ProCAST软件介绍  20-22
    1.3.1 发展历程  20-21
    1.3.2 ProCAST软件的主要特点  21-22
  1.4 ANSYS软件简介  22-23
    1.4.1 ANSYS的功能和特点  22-23
    1.4.2 ANSYS结构  23
  1.5 本课题的主要研究内容  23-25
第二章车轮造型设计  25-34
  2.1 引言  25
  2.2 车轮造型设计的组成要素  25-26
  2.3 轮辋设计要求与标准  26-28
  2.4 车轮实体造型  28-34
    2.4.1 三维造型技术分析  28-30
    2.4.2 车轮的实体建模  30-32
    2.4.3 使用现代CAD技术建模的优点  32-34
第三章车轮铸造过程模拟及工艺优化  34-63
  3.1 引言  34
  3.2 铸件充型过程数值模拟理论基础  34-39
    3.2.1 充型过程的流体力学基础  34-37
    3.2.2 粘性流体流动的基本方程  37-39
  3.3 铸件凝固过程数值模拟理论基础  39-42
    3.3.1 传热的三种基本方式  40
    3.3.2 热传导微分方程  40-41
    3.3.3 单值条件  41
    3.3.4 变热物性参数  41-42
  3.4 铸件凝固过程缩孔、缩松预测  42-45
    3.4.1 铸件缩孔、缩松预测  42-43
    3.4.2 压力条件下的缩孔、缩松预测  43-45
  3.5 低压铸造基本原理及特点  45-48
    3.5.1 基本原理  45-47
    3.5.2 工艺特点  47-48
  3.6 低压铸造SU0011车轮模拟的前处理  48-54
    3.6.1 SU0011型号车轮网格的划分  48-49
    3.6.2 初始条件和边界条件的确定  49-50
    3.6.3 低压铸造机压力参数的设定  50
    3.6.4 分配材料  50-51
    3.6.5 求解温度场时一些传热问题的确定及物性参数的选择  51-54
  3.7 铸造成型过程模拟及结果分析  54-58
    3.7.1 充型过程计算结果及分析  54-55
    3.7.2 凝固过程计算结果及分析  55-57
    3.7.3 铸造收缩缺陷的计算结果及分析  57-58
  3.8 改进方案及实际效果分析  58-62
    3.8.1 SU0011型号车轮结构分析  58-59
    3.8.2 模具修改方案  59
    3.8.3 修改模具后模拟计算结果及其分析  59-62
  3.9 本章小结  62-63
第四章考虑铸造残余应力的铝合金车轮加载的有限元数值计算  63-75
  4.1 引言  63
  4.2 计算铸造残余应力  63-66
    4.2.1 铸造应力场数值模拟的理论基础  63-66
    4.2.2 铸造应力场的模拟计算结果  66
  4.3 ProCAST与ANSYS的连接  66-70
    4.3.1 ProCAST网格单元与ANSYS软件的连接  66-67
    4.3.2 ProCAST计算生成的应力文件与ANSYS的连接  67-70
  4.4 利用ANSYS对车轮铸件进行结构分析  70-74
    4.4.1 无残余应力的铝合金车轮外加载荷的应力数值分析  70-71
    4.4.2 有残余应力的铝合金车轮外加载荷的应力数值分析  71-73
    4.4.3 比较分析  73-74
  4.5 本章小结  74-75
第五章有铸造残余应力车轮的弯曲疲劳性能的有限元数值模拟  75-87
  5.1 引言  75
  5.2 车轮弯曲疲劳试验简介  75-78
    5.2.1 实验样品的选择  75-76
    5.2.2 试验设备  76-77
    5.2.3 试验注意事项  77
    5.2.4 试验弯矩的确定  77-78
    5.2.5 试验失效判定依据  78
  5.3 车轮弯曲疲劳性能的有限元数值模拟  78-85
    5.3.1 车轮有限元力学模型的建立  78-79
    5.3.2 A356的材料特性  79-80
    5.3.3 载荷的处理  80-82
    5.3.4 残余应力的考虑  82
    5.3.5 模拟结果及分析  82-84
    5.3.6 车轮结构强度考虑  84-85
  5.4 实际试验结果与计算结果的比较分析  85
  5.5 本章小结  85-87
第六章结论  87-89
参考文献  89-94
攻读硕士学位期间发表论文  94-95
致谢  95

汽车用铝合金车轮低压铸造过程的数值模拟及其疲劳性能分析

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