毕业论文范文——汽车转向节差压铸造过程温度场数值模拟.doc

1、西安航空职业学院毕业论文汽车转向节差压铸造过程温度场数值模拟姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：汽车转向节是转向桥的一个重要组成部分，在汽车行驶过程中承受很大的冲击载荷，因此对其铸造质量要求很高，通常采用差压铸造（counter-pressure casting, CPC）技术制备。本研究建立了转向节差压铸造系统的简化物理模型，对其温度场进行计算，并利用热电偶在模具内部不同的六个位置进行了测量验证。研究发现：六个测温点的模拟温度的峰值分别比实测温度高了 12-22；而谷值高了 20-23。温度场的模拟准确度能达到 90%以上，且曲线形状的吻合度高。本研究的工作

2、为进一步提高温度场的模拟准确性，从而预测缺陷的分布，以及后续的应力应变场奠定了基础，为企业的绿色、智能化生产提供了有益的技术支持。关键词:转向节；差压铸造；边界条件；温度场计算汽车转向节是转向桥的一个重要组成部分，在汽车行驶过程中承受很大的冲击载荷 1，因此对其铸造质量要求较高。汽车转向节通常采用差压铸造（counter-pressure casting, CPC）技术制备，这一工艺可以有效提高铸件凝固过程中的补缩能力 2，减少铸件中的孔状缺陷，因而铸件具有较高的强度、良好的抗冲击载荷性能，以及较长的疲劳寿命。但差压铸造不光需要高温，熔体还必须保存在密闭空间以产生压差，装备较为复杂，通过常用手

3、段无法定量分析铸件质量的影响因素并评估影响程度 3-5。近年来，国内外对于调压铸造过程中的温度场及应力场进行了大量的模拟计算。Galantucci 等 6, 7采用了有限元法模拟了涡轮叶片的凝固过程，并与实验结果得到了较好的吻合；zhu 等 8采用了不同网格混合的方法，有效的优化了辐射边界条件；Robeno dIppolito 等人 9, 10基于可靠性优化设计方法，建立了长杆类转向节的有限元分析模型，并以此为基础对转向节的疲劳寿命进行了研究。可见，随着硬件与各种数值方法的的发展，材料加工领域毫米尺度的仿真技术正在日益成熟。当前工业界与科研界的普遍共识是，虽然由于材料加工本身涉及到多场耦合与极

4、度的非线性，以及物理模型本身的不完备性，材料加工领域的完全定量描述仍需时日，但非极端条件下的单一物理场的计算结果已具有工程上可以接受的定量预测能力。铸造是一种热加工过程，温度场决定了铸造缺陷和应力应变场的分布，是材料加工过程计算的根本。本论文针对某公司转向节的差压铸造过程，对边界条件和初始条件进行了简化和准确测量，建立了与实际工况较为接近的物理模型并采用 ESI 公司的 ProCAST 凝固分析软件计算了铸件铸造过程中的温度场演化，为后续进一步分析铸件的铸造缺陷与应力应变场奠定了基础。1 铸造过程分析首先将铝硅镁三元合金（AlSi 7Mg0.3）在坩埚中熔化，进行除气除杂处理，700 oC 下

5、静置一段时间后，坩埚移置铸造机下方，并上升与铸机形成完全封闭的系统（见图 1）。通过对熔体上表面施加一定的压力，熔体沿着升液管充进模具腔体，充型完毕后，水冷系统开启，铸件即开始凝固。系统将会保压一段时间，以确保铸件在压力下凝固成形完毕，随后卸压开模，取出铸件。实际的工业生产中，为了提高生产效率，每套铸造系统包由多个相同的模具共同组成，但每套模具都拥有单独的升液管以及水冷系统。在后面的实验分析中我们以单个的模具作为研究对象。差压铸造的原理如图 1 所示。图 1 差压铸造凝固工艺示意图1-压力罐；2-正压控制系统；3-上压室；4-铸型；5-负压控制系统；6-真空罐；7-金属液；8-保护炉；9-下压

6、室2 物理模型建立2.1 建立有限元模型铸件的 CAD 模型如图 2 所示。网格划分时考虑到铸造模型比较复杂，我们对模型中的排气孔，水冷管道等部位采用长度为 0.2-0.5的网格，其余部位采用 1.5的网格。考虑到铸造过程中使用的分流锥以及顶杆的对计算结果影响不大，在模型处理时将它们与上下模结合在了一起，处理后的模型包括上模、下模和铸件三个部分。（a） （b）图 2 转向节模具模型（a）与有限元模型（b）2.2 材料热物性参数的确定转向节采用的铝硅镁合金 A356 是汽车零部件生产中常用的材料，铸造模拟软件内自带该合金的性能数据库。但数据库内的材料性能是平衡状态下所测，而实际铸造中较为快速的凝

7、固过程会导致材料的性能表现出与平衡态一定程度的差异。为了提高实验的准确性，我们专门对材料的密度，热导率，焓，固相分数等参数 11进行了测量，并以此为基础对计算软件中自带的性能数据进行了调整，调整后相关性能参数如图 3 所示。（a） （b）（c） （d）图 3 A356 合金热物性参数 （a）密度;（b）热导率；（c）焓；（d）固相分数利用差式扫描热量仪（DSC） 12, 13测得了 A356 在最高凝固速度（30/min）下的固液相线分别为 545和 608,如图 4 所示。模具本身采用的 H13 钢的各项热物性参数以软件自带数据为准。图 4 30/min 冷却条件下 DSC 曲线2.3 边界

8、条件的处理冷却水换热是差压铸造过程中最常见的散热方式。我们设定了 16 条冷却管道的参数，如表 1 所示。铸造开始阶段，我们对模具进行了 300的预热。模拟计算时我们以二十次循环为一组实验数据，将每一组数据中模具的结束温度，赋值为下一组实验模具的初始温度，通过多次的循环，得到了比较平稳的温度曲线。由于温度不稳定，我们对前面两组数据不做处理，在温度趋于平稳的第三组数据，我们取其中的最稳定的几个循环进行分析。表 1 铸造过程中的水冷参数水循环延迟时间（s）水循环持续时间（s）空气循环延迟时间（s）空气循环持续时间（s）流量（L/min）1 0 0 0 0 6122 0 130 10 10 6123

9、 5 50 10 10 6124 108 10 0 10 6125 10 65 45 10 6126 0 0 0 0 6127 0 130 10 10 6128 20 100 10 10 6129 0 0 0 0 61210 0 80 40 10 61211 0 0 0 0 61212 10 30 10 10 61213 5 80 10 10 61214 5 80 10 10 61215 0 60 10 10 61216 5 60 10 10 6123. 结果与讨论3.1 温度场实际测量我们采用 OMEGA 的 OM-DAQ-USB-2400 测温模块，并定制了六根不同尺寸的热电偶，使之与模具

10、上的热电偶孔最大程度配合。为了提高实验的准确性，对热电偶的准确性进行了校核，如图 5 所示。六组热电偶的分布如图 6 所示。图5 热电偶校准结果 图 6 热电偶分布3.2 模拟影响因素的处理由于实际生产过程中存在着诸多不确定因素，因此对模拟结果会造成很大的影响。在这里我们主要出于对模拟过程优化的目的对这些因素做了简化和优化。这些措施主要包括:(1) 模具下挡板直接与坩埚接触，坩埚内金属液温度变化不明显，故可将模具下表面边界条件设为绝热；(2) 冷却过程中，水循环冷却与空气冷却交替使用，我们对同一根冷却管内不同时段的换热方式分别设置了不同的换热系数。3.3 温度对比压铸机从冷态启动后的数轮铸造过

11、程温度曲线显示在图 7，可以看到该曲线有一个整体缓慢上升的过程，表明其压铸生产尚未稳定，模具内也未形成稳定的温度场。生产稳定后模具内各测温点的温度值如图 8 所示，显然已经形成了较为稳定的波峰和波谷。图 7 非稳态温度曲线 图 8 稳态温度曲线我们从稳态的实测温度曲线中截取了一段四个铸造循环的曲线与模拟曲线做对比，测温点 a-f 的温度对比结果分别如图 9a-f 所示。（a） （b）（c） （d）（e） （f）图 9 温度对比曲线根据对曲线的分析，我们得到了如表 2 所示的测量数据与模拟数据对比。可以看出，温度模拟的准确度均达到了 90% 以上，其中 a,b,e,f 四个点更是达到了 93%以

12、上，且曲线形状的吻合度较高，基本可以满足定量预测的目的。表 2 测温数据与模拟数据的谷、峰值对比（T/）测温点 a b c d e f实测峰值温度 375 376 250 365 290 307模拟峰值温度 353 353 230 335 275 295峰值差值 22 23 20 30 15 12差异百分比（%）5.9 6.1 8 8.2 5.2 3.9实测谷值温度 342 343 220 352 252 280模拟谷值温度 319 320 200 327 232 260谷值差值 23 23 20 28 20 20差异百分比（%）6.7 6.7 9.1 8.0 7.9 7.1实测结果普遍比实验

13、结果要高 3.9-9.1%，这主要是因为：（1）铠装热电偶与模具内部的测温表面接触部位有一定的热阻导致了温度差异。（2）实际测量过程中由于设备密封性设计，电偶数据必须经过铜制的接线柱和一段数米长的补偿线传输至测温模块，同样存在热阻导致的温差。4. 结论（1）本研究在实际测量的基础上，结合 ProCAST 自带数据库，建立了材料特性、边界条件更符合实际生产的转向节差压铸造过程计算模型；（2）通过与电偶实际测量温度进行对比，6 个位置的模拟温度的波峰和波谷值准确度均达到了 90%以上，且曲线形状吻合度较高，基本能达到定量预测的目标。参考文献：1. 袁旦, 汽车转向节有限元分析与优化设计, 2010

14、, 浙江工业大学.2. 王英杰, 铝合金反重力铸造技术. 铸造技术, 2004. 25(5): 第361-362页.3. Galantucci, L.M. and L. Tricarico, A computer-aided approach for the simulation of the directional-solidification process for gas turbine blades. Journal of Materials Processing Technology, 1998. 77(13): p. 160-165.4. Bewlay, B.P., et al.,

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