毕业论文范文——铝合金箱体结构低压铸造数值模拟

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1、西安航空职业学院毕业论文铝合金箱体低压铸造数值模拟及其优化设计姓名：专业： 航空电子班级：完成日期：指导教师:摘要：本文通过对铝合金箱体结构及低压铸造工艺特性的分析，合理设计浇注系统，并利用ProCAST铸造软件对充型和凝固过程温度场进行数值模拟，发现充型过程流动平稳，温度场较为均匀，但在凝固过程中由于结构的复杂性，在厚壁及热节处出现缩松缺陷，在改进方案中，通过在铸件厚壁处设置冷铁和增大横浇道出口截面积等措施，缩短凝固时间，强化补缩通道，最终通过工业CT断层扫描检测，获得无铸造缺陷的高质量铸件。关键词：低压铸造；数值模拟

2、；缩孔缩松；优化设计大型复杂结构箱体类零件是几何尺寸大、形状复杂、壁厚不均匀的基础类零部件，广泛应用于大型柴油机缸体、曲轴箱、传动箱等结构零部件[1]。近年来，我国军工、民用行业对该类结构产品的尺寸精度、气密性、力学性能等要求逐步提高，而低压铸造作为一种先进的金属液态成型技术，具有充型速度平稳、凝固补缩充分等优点，是实现铸件近净成形的重要手段，也是大型复杂结构箱体铸件生产的重要工艺方法[2,3]。目前，国内大多数箱体类零部件的铸造生产主要依靠工程师的实际经验，通过大量的试制工作，最终确定设计方案，而采用这种方式生产的产品

3、研发周期长，需要投入大量的人力和经济成本，在新形势下，难以跟上国家对产业转型升级的要求。为提高生产效率，降低成本，数值模拟技术在工业领域得到了广泛的应用[4,8,9]。铸造过程中进行数值模拟一般有4种方法：有限差分法(FDM)、有限元法(FEM)、有限体积法(FVM)和边界元法(BEM)。法国ESI公司开发的ProCAST软件是基于有限元法(FEM)，能够对铸造充型及凝固过程进行模拟仿真，预测铸件浇不足、卷气、缩孔、缩松等缺陷，该软件通过对铸造工艺参数进行验证及优化，缩短工艺试验周期，降低生产成本和废品率，这对实际生产具

4、有极高的应用价值。本文利用ProCAST软件对某铝合金箱体结构件充型和凝固过程进行数值模拟，分析缩孔缩松缺陷产生的原因，并预测缺陷可能出现的位置；通过优化工艺参数，再次进行仿真模拟计算，直至该结构件无铸造缺陷出现，进而进行实体浇注，并采用工业CT检测技术进行验证，最终获得高质量的箱体结构件。1低压铸造工艺方案设计1.1箱体结构件概况某铝合金箱体结构件如图1所示，铸件外形尺寸为φ522mm×340mm，重33.749kg。内部形状复杂，各处壁厚不均匀，主要壁厚24mm，最小壁厚10mm，最大壁厚80mm；以上特点使得该箱体

5、结构件铸造工艺设计难度大，在充型和凝固过程中，极易出现紊流、卷气、缩孔缩松等缺陷，严重影响该铸件的工艺成品率。图1铝合金箱体结构件三维图1.2浇注系统设计铸件在浇注方向总高度较高，其中，在升液管底部至顶端冒口高度为1020mm，为保证充型过程流动平稳，合金液需要有足够的流量和压力。根据该铝合金箱体结构件的特点，采用底注式“十字型”浇注系统（顶部设置“十字型”补缩通道），如图2所示。浇注系统直浇道为直径80mm的圆柱体，沿箱体中心底部引入，横浇道均匀布置在直浇道四周，连接箱体上、下端面，且横浇道流入位置位于箱体薄壁处，这样

6、可以避免箱体薄壁处冷隔缺陷的产生[5,6,7]。该浇注系统设计简单，铸型内的温度场分布有利于铸件实现顺序凝固，减少铸件应力，防止铸件出现变形、裂纹等缺陷。直浇道横浇道（共8处）图2箱体结构件浇注系统简图2低压铸造数值模拟及工艺优化2.1前处理采用ProE软件完成铸件毛坯和浇注系统的三维建模，将该箱体结构件的三维模型以IGS格式数据文件导出，并用ProCAST读取ProE导出的IGS文件，并对铸件及铸型进行自动网格剖分，见图3所示，其中面单元136314个，体单元685397个。采用树脂砂作为包覆材料，初始温度为150℃。

7、铸件采用ZL205A，液固相线分别为648℃和530℃，铸件浇注温度为700℃，压力时间曲线如图4示，因为未模拟升液阶段的情况，所以计算开始时刻即为充型阶段，充型压力113KPa，型腔充满后，增压12KPa并保压310秒出模。图3箱体结构件网格划分图图4压力时间曲线图2.2充型过程数值模拟分析该箱体结构件充型过程的温度场分布见图5。由图可以看出，金属液分布均匀，未产生飞溅，充型状态由下而上顺序流动，铸件在充型过程中的流动平稳，铸件远端充型时温度下降不大，型腔充满时温度分布均匀。t=4.87sp=29.7%t=6.27sp

8、=50.6%t=9.07sp=80.0%t=9.86sp=100%图5充型过程温度场分布图2.3凝固过程数值模拟分析铸件凝固过程是一个不稳定导热的过程，该过程存在热量、质量和动量传输。图6是箱体结构件凝固过程固相率分布图，由图可以看出在凝固初期即在108s时，固相率为31.1%，此时中空圆筒和加强筋隔板优先凝固，主要