毕业论文范文——汽车转向节差压铸造过程温度场数值模拟

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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-pressurecasting,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。本研究的工作为进一步提

2、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-pressurecasting,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

3、手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；Robenod’Ippolito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

4、多场耦合与极度的非线性，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（AlSi7Mg0.3）在坩埚中熔化，进行除气除杂处理，70

5、0oC下静置一段时间后，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

6、；9-下压室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固

7、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3A356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