基于 ANYCASTING 數(shù)值模擬研究低壓鑄造汽車

1、如果您需要更多資料可以到/week114進(jìn)行免費查閱中國科技論文在線/week114基于 anycasting 數(shù)值模擬研究低壓鑄造汽車鋁鎂合金輪轂水冷參數(shù)對 sdas 的影響#趙鑫，孫智*5101520253035（中國礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）摘要：本文根據(jù)低壓鑄造的原理,以某型號鋁鎂合金輪轂(zl301 輪轂)為例,采用數(shù)值模擬研究的方法,利用 anycasting 軟件對其進(jìn)行數(shù)值模擬,預(yù)測鑄件的二次枝晶間距大小，研究水冷參數(shù)對鑄件二次枝晶間距的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明：冷卻水管的開啟，使得二次枝晶間距減小；

2、隨著水冷流量的增大以及冷卻水管開啟時間的提前，二次枝晶間距減小，呈現(xiàn)線性變化規(guī)律。關(guān)鍵詞：低壓鑄造；二次枝晶間距；數(shù)值模擬；水冷參數(shù)；鋁鎂合金中圖分類號：tg146.2numerical simulation about influence of water-cooling onsdas about low pressure casting automobile al-mg alloywheel based on anycastingzhao xin, sun zhi(school of material science and technology,china university of m

3、aining andtechnology,xuzhou,china 221116)abstract: this paper analysis sdas of al-mg alloy wheel for low pressure casting using themethod of numerical simulation and the anycasting software.the effects of solidificationparameters on sdas in the low pressure casting process was founded. the results s

4、how that,sdas increases and presents linear variation with the increase of preheating temperature andpouring temperature;opening the cooling water pipes makes sdas smaller; sdas decreases andpresents linear change rule with the increase of cooling water flow and the ahead of coolingpipes open-time.k

5、ey words: low pressure casting;sdas;numerical simulation;water-cooling;al-mg alloy0 引言輪轂是汽車行駛系統(tǒng)的主要部件之一，是車輛承載的最重要安全部件1。目前，為了開發(fā)安全可靠、高速舒適、節(jié)能環(huán)保型現(xiàn)代汽車，其首要解決的問題是汽車輕量化，而鋁鎂合金在鑄造鋁合金中屬于密度較小的一類合金，鋁鎂合金輪轂以其美觀、質(zhì)輕、節(jié)能、散熱好、耐腐蝕、加工性好、比強(qiáng)度和比剛度高等特點，成為實現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑2-5。低壓鑄造生產(chǎn)鋁鎂合金輪轂是最基本和較經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方法，它是在較低壓力下澆注，可大批量生產(chǎn)較高質(zhì)量輪轂，生產(chǎn)率高，合

6、格率較高，充型平穩(wěn)、組織較致密，能夠促進(jìn)汽車的輕量化的發(fā)展。鑄件的二次枝晶間距直接決定鑄件的性能6。因此，對二次枝晶間距進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測，研究低壓鑄造工藝參數(shù)對二次枝晶間距的影響規(guī)律，可以預(yù)測鑄件凝固微觀組織，進(jìn)而預(yù)測鑄件的機(jī)械性能，獲得主要工藝參數(shù)對鑄件凝固微觀組織影響的定量關(guān)系，從而為優(yōu)基金項目：自然科學(xué)基金(51004051); 江蘇省自然科學(xué)基金(bk2009661)作者簡介：趙鑫(1987-),女,碩士研究生,主要研究方向:材料加工,鑄造模擬通信聯(lián)系人：孫智(1963-),男,教授,主要研究方向:材料加工,鑄造，失效分析. e-mail:xiaoxiangyeyu1234163.co

7、m-1-中國科技論文在線/week114化鑄件的工藝和最佳的質(zhì)量控制提供理論依據(jù)7。綜上所述，關(guān)于低壓鑄造汽車鋁鎂合金輪4045轂鑄件二次枝晶間距的數(shù)值模擬研究，將為汽車的輕量化設(shè)計以及鋁鎂合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。1 模擬前處理低壓鑄造過程數(shù)值模擬的基礎(chǔ)是汽車輪轂及其模具的三維實體造型。設(shè)計出仿真鑄型(汽車輪轂及其模具三維實體模型)后，將仿真鑄件及其模具實體導(dǎo)入鑄造模擬分析軟件anycasting 中。采用 anycasting 的網(wǎng)格劃分功能對實體模型進(jìn)行有限差分網(wǎng)格劃分，完成鑄造分析模型的幾何近似和模型化，建立起準(zhǔn)確的輪轂及其模具鑄造成型系統(tǒng)的有限差分模型5

8、-8。然后，設(shè)定鑄造工藝參數(shù)，運(yùn)用 anycasting 進(jìn)行汽車輪轂的模擬仿真澆注試驗，分析鑄件的凝固組織，從而找出低壓鑄造凝固參數(shù)對二次枝晶間距的影響規(guī)律。501.1汽車輪轂及模具實體造型汽車輪轂由輪輻和輪輞兩個基本部分組成，零件的形狀相對復(fù)雜。本文采用 ug 三維造型軟件建立其三維實體模型。圖 1-1 為輪轂及升液管的模型。圖 1-1 鑄件及升液管fig.1-1 casting and stalk551.2仿真鑄件的有限差分網(wǎng)格劃分仿真鑄件建好以后，執(zhí)行數(shù)值模擬運(yùn)算之前需要對鑄件模型進(jìn)行有限差分網(wǎng)格的劃分。本文中模擬試驗的網(wǎng)格劃分工作由 anycasting 軟件的前處理模塊 anypr

9、e 來完成。首先將建好的三維模型文件轉(zhuǎn)換成 anycasting 所支持的 stl 文件格式，然后導(dǎo)入到 anypre 中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖 1-2 為導(dǎo)入到 anypre 中的鑄件實體模型及模具。6065圖 1-2 鑄件及模具fig.1-2 casting and mould網(wǎng)格劃分后的模型要盡量逼真于實際鑄件，才能確保實驗分析結(jié)果的正確性。本實驗由于輪轂屬于壁厚不均勻的鑄件，所以采用非均勻網(wǎng)格劃分。經(jīng)多次劃分比較，總體網(wǎng)格數(shù)量-2-中國科技論文在線設(shè)定為 12038928，劃分結(jié)果如圖 1-3 所示。圖 1-3 劃分后的結(jié)果fig.1-3 the result of the wires p

10、/week114701.3設(shè)定低壓鑄造工藝參數(shù)9的化學(xué)成分。(2)模具系統(tǒng)材料：模具及升液管材料如表 2-2 所示。(3)模具及升液管溫度：模具工作溫度取不同值，升液管溫度：500。75表 1-1 鑄件合金成分tab.1-1 the component of the casting80元素名稱含量mg9.5-11.0表 1-2 模具及升液管材料tab.1-2 the material of the mould and the feed-tubealbalance模具頂模 1頂模 2側(cè)模底模升液管材料skd61 skd61 sdk61 skd61al2o

11、3(4)熱傳導(dǎo)率：鑄件與鑄型之間的熱傳遞過程，用熱傳導(dǎo)率來處理交界處的邊界條件。anycasting 對于熱傳導(dǎo)率有自己的數(shù)據(jù)庫，可以根據(jù)材料的屬性查到對應(yīng)的熱傳導(dǎo)率。(5)熔體溫度：熔體澆注溫度為 710。85(6)充型壓力：充型壓力-時間如表 1-3 所示。表 1-3 充型壓力變化tab.1-3 pressure change of the filling process時間(h)010 40 50290300壓力(dyne/cm2)0180000400000800000800000090(7)冷卻水管道分布：冷卻水管如圖 1-4 所示。(a)輪轂反面的冷卻水管道分布；(b)輪轂正面的冷卻

12、水管道分布圖 1-4 輪轂兩側(cè)冷卻水管的分布位置fig.1-4 the position of the cooled tube-3-(1)鑄造合金：zl301：液相線溫度 620；固相線溫度 535 。表 1-1 為鑄件合金中國科技論文在線/week114951.4微觀模型本文研究的具體材料為 zl301 合金，進(jìn)行微觀組織數(shù)值模擬時需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)10。合金的形核動力學(xué)參數(shù)與生長動力學(xué)參數(shù)都與合金的物性參數(shù)相關(guān)。為了優(yōu)化模型，在設(shè)定模型時，參考 anycasting 軟件自帶的鎂合金模型，然后根據(jù) zl301 合金的物性參數(shù)，計算其形核動力學(xué)雙曲線函數(shù)中的 a、b

13、、c 值以及生長動力學(xué)冪率函數(shù)中的 a、b 值。100(1)形核動力學(xué)雙曲線函數(shù)：n ( t ) 2 tanh t t n1 .25 t+ tanh t n1 .25 t ,)a = 6e + 007 (最大形核密度) b=8（平均形核過冷度） c=0.7 （標(biāo)準(zhǔn)曲率過冷度）(2)生長動力學(xué)冪率函數(shù)： v = at b2 鑄件數(shù)值模擬結(jié)果及分析a = 1.3915e 005 b=3.558041052.1實驗方案設(shè)計前處理的相關(guān)參數(shù)和邊界條件設(shè)定完成以后，根據(jù)表2-1進(jìn)行微觀組織數(shù)值模擬，研究三個因素：是否水冷開啟、水冷開啟時間以及水冷的開啟流量對二次枝晶間距大小的影響。截取了如圖2-1（e）

14、中所示的a、b、c三點進(jìn)行具體的研究。110表 2-1 實驗方案設(shè)計tab.2-1 experiment projection組別模具溫度()冷卻水管開啟水冷時間(s)水冷流量( mm3/s )3001275250無/有不開啟/220221051061075151063300有222530模擬結(jié)果分析有無冷卻水管的影響圖 2-1 是分別有冷卻水管與無冷卻水管時，改變鑄型預(yù)熱溫度所得出的鑄件二次枝晶間115距值結(jié)果圖。圖 2-2 是針對鑄件 b 點位置有無冷卻水管情況下二次枝晶間距值的比較，可以看出相同條件下，有冷卻水管時鑄件的二次枝晶間距

15、要比無冷卻水管時小，平均減小 6.7m，即減小 15%。開啟冷卻水管，凝固界面的散熱能力增加，鑄件冷卻速率增大，鑄件的凝固時間縮短，因此，二次枝晶間距減小11 。-4-模型n max (a = n max , b = t n , c = t中國科技論文在線/week11412021(a)(a)（b）（b）（c）（c）（d）（d）（e）（e）圖 2-1不同鑄型預(yù)熱溫度下模擬出的微觀組織1251未開啟冷卻水管 2冷卻水管開啟時間為 22s，水冷流量為 106cm3/s（a）200 （b）225 （c）250（d）275 （e）300fig2-1 nicrostructur

16、e simulation in different preheating temperature.1 unopened cooling water pipes 2opening cooling water pipes at 22s and cooling water flow for106cm3/s130圖 2-2有無冷卻水管的影響規(guī)律fig.2-2 effects of cooling water pipes on sdas2.2.2水冷開啟時間的影響圖 2-3 是鑄型預(yù)熱溫度為 300，水冷流量為 106cm3/s 條件下，分別針對不同水冷開啟時間模擬出來的二次枝晶間距結(jié)果圖。圖 2-4

17、是不同水冷開啟時間對鑄件截面 a、b、c 三135140點的二次枝晶間距大小的影響規(guī)律圖。由圖 2-4 可以看出，冷卻水管開啟時間越早，鑄件的二次枝晶間距越小。水冷開啟時間由 30s 提前到 5s，二次枝晶間距的最大值 39m 減小到 38m，即減小 2.56%；最小值由12.073m 減小到 11.676m，即增大 3.29%。選取 b 點，在實驗范圍內(nèi)，水冷開啟時間由 30s提 前 到 5s ，二次枝 晶間距 有減小 幅度， 經(jīng)過二元 回歸分 析，其遵 循規(guī)律 ： sdas=35.5995+0.10503t。a 點與 c 點均有減小幅度。這是因為冷卻水管開啟的越早，晶體凝固時間越短，二次枝

18、晶間距就會越小12。-5-中國科技論文在線/week114(a)（b）（c）（d）（e）145圖 2-3 鑄型預(yù)熱溫度為 300，水冷流量為 106cm3/s 不同水冷開啟時間條件下模擬出的微觀組織（a）5s （b）15s （c）22s（d）25s （e）30sfig.2-3 on condition of casting preheated temperature for 300 and cooling water flow for106cm3/s, themicrostructure simulation in different cooling water pi

19、pes opening time.1504035abc1551603025201551015202530水冷開啟時間/s圖 2-4 水冷開啟時間的影響規(guī)律1652.2.3水冷流量的影響fig.2-4 cooling water pipes opening time of sdas圖2-5是在鑄型預(yù)熱溫度為300，水冷開啟時間為22s的條件下，分別針對不同水冷流量模擬出來的二次枝晶間距結(jié)果圖。圖2-6是不同水冷流量對鑄件截面a、b、c三點的二次枝晶間距大小的影響規(guī)律圖。170175由圖 2-6 可以看出，水冷開啟流量越大，鑄件的二次枝晶間距越小。水冷流量由 10cm3*s-1增大到 107cm3

20、*s-1 ，二次枝晶間距的最大值 43m 減小到 39m，即減小 9.3%；最小值保持12.073m 不變。選取 b 點，在實驗范圍內(nèi)，水冷流量由 10cm3*s-1 增大到 107cm3*s-1，二次枝晶間距有減小幅度，經(jīng)過二元回歸分析，其遵循規(guī)律：sdas= 37.19401+0.09491v。a 點有減小幅度，c 點保持不變。這是由于水冷流量越大，冷卻速度越大，晶體凝固時間越短，二次枝晶間距就會越小13-14。-6-二次枝晶臂間距/m中國科技論文在線/week114（a）（b）（c）（d）（e）圖 2-5 鑄型預(yù)熱溫度為 300，水冷開啟時間為 22s，不同水冷

21、流量條件下模擬出的微觀組織180（a）10 cm3*s-1 （b）104 cm3*s-1 （c）105 cm3*s-1（d）106 cm3*s-1 （e）107 cm3*s-1fig.2-5 on condition of casting preheated temperature for 300and opening cooling water pipes at 22s, themicrostructure simulation in different cooling water flow.4038363432302826242220181614abc0200 400 600水冷流量*10

22、4 /cm3*s-18001000圖2-6 水冷流量的影響規(guī)律185190195200fig.2-6 effect of cooling water flow on sdas3 結(jié)論本文旨在研究鋁鎂合金汽車輪轂低壓鑄造水冷參數(shù)對二次枝晶間距的影響規(guī)律。運(yùn)用anycasting 鑄造軟件，用數(shù)值模擬的方法對其進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論為實際的生產(chǎn)提供參考。（1）冷卻水管的開啟，使得二次枝晶間距減小；（2）冷卻水管開啟時間與二次枝晶間距的定量數(shù)學(xué)關(guān)系式為：sdas=35.5995+0.10503t；（3）水冷流量與二次枝晶間距的定量數(shù)學(xué)關(guān)系式為： sdas=37.19401+0.09491v。參考文獻(xiàn)

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