（化工过程机械专业论文）基于过程集成技术的铝合金轮毂疲劳寿命研究.pdf

博士学传论文：基r 过程集成技术的铝合金轮毅疲劳寿命研究 摘要 本论文的研究背景来源于本实验室与某轮毂工厂合作的“数字化设计制造系 统”项目。为了使铝合金轮毂重量吏轻、性能更好以达到节约能源的口的，本文 以低压铸造铝合金轮毂为主要研究对象，在吸收相关学科的新思想、新理论、新 方法、新技术的基础上，采用理论研究、模拟仿真与实验研究相结合的方法，系 统地将轮毂翎造过程中的铸造过程、热处理过程、机加工过程和实验加载过程进 行集成，为实现低压铸造铝合金车轮轻量化的最终日标提供理论依据和技术手 段。 本文研究的j ：作内容主要分为以f 几个方而： 1 铝合金轮毂是通过低压铸造一j ：艺生产的，由r j ：铝合金巾氢溶解率变化的 特性，铝合金铸造过程会形成气孔和缩松的缺陷，影响铸件的整体性能。铝合金 的气孔和缩松缺陷正处于研究中，其机理现稿：还没完整的数学方程可以衷达。本 论文结合铝合金轮毂低压铸造的特点，在前人研究的基础上，结合_ l ：厂的实际生 产经验和实验对比，提出适用。】。：铝合金轮毂的球冠气孔缺陷预测模型，较之传统 的球型气孔缺陷模型相比，可提高气孔预测精度。 2 残余应力是影响轮毂应力状态分布的土要冈素之一，论文采用理论模型 和有限元模拟的方法对轮毂进行求解。锚合金轮毂经过t 6 热处理后会产生热处 理残余应力，利用有限元软件模拟轮毂热处理过程，研究该过程中残余应力的分 布规律。本文第一次通过反求法得到铝合金轮毂t 6 热处理过程的传热系数函数。 为轮毂应力分析的准确性提供了基础。随后对轮毂毛坯进行机加工以切除多余材 料，在轮毂含有热处理残余应力的基础上，运用任意拉各朗日欧拉( a l e ) 方法， 模拟机加工产生的残余应力。为了加快计算效率和精度，节省计算机资源，计算 过程采用了一种调整的时间效率计算方法，使计算时间大大缩短。 3 疲劳寿命是铝合金轮毂的一个最重要的质量指标，汽车零部件厂商期望 得到经济型的疲劳寿命，即满足轮毂工况要求同时最有效的利用材料。本论文的 疲劳寿命预测以裂纹扩展模型为基础，结合轮毂的制造过程，拍：裂纹扩展模型的 基础上，综合了制造过程缺陷的影响因素，提出了适用丁低缝铸造铝合金轮毂的 博士学位论文：箍j 过稃集成技术的钒合金轮毅疲劳寿命研究 轮毂疲劳寿命预测模型。与一般局部应力应变法相比，应用此模型所预测出来的 轮毂疲劳寿命的准确性得到了显著的提高。 4 过程集成模型将单个的材料成型过程结合到模型中，从而提供满足+ l 二业 需要的求解方法。在过程集成模型巾，每一个处理过程的边界条件作为该过程的 输入，同时前一个过程的输出结果也要作为该过程输入参数。这样就能将簟个过 程作为整体集成，满足4 i 同尺度问连续性的要求，进而得到更精确的解。该集成 模型解决了微观模型与宏观模型之间的尺度转换和参数传递问题，综合考虑了铸 造微观组织、热处理和机加。l ：残余应力以及疲劳实验加载对最终疲劳寿命的影 响。将该过程集成模型与轮毂疲劳寿命预测相结合，能提高疲劳寿命预测的准确 度。 。5 为了满足汽车零部件厂商的要求，达到轮毂轻量化设计的口标，本论文 采用“神经网络”的优化算法对轮毂的几何尺寸和制造过程巾的关键控制参数进 行优化。通过几何尺寸与制造参数的优化组合，更符合生产实际的满足轻量化的 同标。 论文围绕低压铸造铝合金轮毂的设计和制造过程，将铸造过程、热处理过程、 机加工过程和实验加载过程对轮毂性能的影响考虑进轮毂过程集成模型中。基于 理论模型、数值模拟技术和实测实验，对铸造过程微观组织、热处理和机加一l ：残 余应力、实验加载应力分布进行了深入的研究，并以此为基础，采用d o e 方法 和b p 神经网络遗传算法对轮毂结构和制造工艺进行优化，最终实现了轮毂设计 和制造流程的c a e 集成。 关键字：过程集成、疲劳寿命，残余应力、优化，铝合金轮毂 博f ：学何论文：基】：过稃集成技术的锅合金轮毅疲劳寿命研究 a b s t r a c t t h er e s e a r c h sb a c k g r o u n di st h ec o o p e r a t i v ep r o j e c t a l u m i n u mw h e e l l i g h t w e i g h td e s i g na n dd e v e l o p m e n t o fz h e j i a n gu n i v e r s i t ya n dz h e j i a n gw a n f e n g a u t o 姗1 e e lc o l t d t h et h e m eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni si n t e g r a t i o no fm a n u f a c t u r i n g p r o c e s se f f e c t so ft h ea u t ow h e e l i no r d e rt om a k et h ew h e e ll i g h t e ra n ds a v et h e c o n s u m p t i o no ft h ee n e r g y , t h ep a p e rt a k e sar e s e a r c ho nt h el o wp r e s s u r ed i ec a s t i n g a l u m i n i u mw h e e l b a s e do ns o m en e wt h e o r ya n dm e t h o d sw h i c ha r er e l a t e dw i t ht h e r e s e a r c hf i e l d , t h ep a p e ri n c o r p o r a t e st h et h e o r ym o d e l ，s i m u l a t i o na n dt e s ti n t ot h e r e s e a r c hm e t h o d sa n di n t e g r a t e st h ee f f e c t so ft h ec a s t i n g ，h e a tt r e a t m e n t ，m a c h i n i n g a n dt e s tl o a d i n gi n t ot h ep r o c e s si n t e g r a t e dm o d e l t h i sn e wp r o c e s si n t e g r a t e dm o d e l m a yf u l f i l lo u rg o a lo fm a k i n gw h e e ll i g h t e r 1 a l u m i n i u mw h e e li sp r o d u c e db yl o wp r e s s u r ed i ec a s t i n g b e c a u s eo ft h e c h a r a c t e ro ft h es o l u b i l i t yc h a n g eo ft h eh y d r o g e n ，t h e r em a yb es o m ep o r e sd e f e c t si n t h ec a s t i n gp r o c e s st oi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h e e l al o to fr e s e a r c hh a s b e e nd o n eb ym a n ya c a d e m i c i a n s ，b u tt h ea c t u a lt h e o r ye q u i t a t i o no ft h ep o r e f o r m a t i o ni sn o ta v a i l a b l e t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ec h a r a c t e ro ft h el o wp r e s s u r ed i e c a s t i n go fa l u m i n i u mw h e e l b a s e do ns o m et h e o r yd e v e l o p e db ys o m er e s e a r c h e r s a n dt h ee x p e r i e n c e so ft h ea u t ow h e e lp r o d u c t i o ni nt h ef a c t o r y , t h ep a p e rd e v e l o p e da f o r e c a s tm o d e lo f p o r ed e f e c t si nt h ec a s t i n g 2 r e s i d u a ls t r e s s e sa r et h em a i nf a c t o rw h i c hi n f l u e n c et h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s s s t a t ei nt h ew h e e l t h ep a p e ru s et h et h e o r ym o d e la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt os o l v e t h ew h e e l a f t e rc a s t i n g ，t h ew h e e lg e t st h r o u g ht h et 6h e a tt r e a t m e n ta n dc a u s e s r e s i d u a ls t r e s s e s i no u rr e s e a r c h ，ac o u p l i n gm e t h o di su s e dt os i m u l a t i n gt h e d i s t r i b u t i o no ft h er e s i d u a ls t r e s s a f t e rh e a tt r e a t m e n t ，t h e r ei sam a c h i n i n gp r o c e s st o c u tt h ee x c e s s i v em a t e r i a l so ft h ew h e e l b a s eo nt h er e s u l t sf r o mt h eh e a tt r e a t m e n t , t h ep a p e ru s et h ea r b i t r a r y - l a g r a n g i a n e u l e r i a nm e t h o dt os i m u l a t i n gt h er e s i d u a l s t r e s s e si nt h ec u t t i n gp r o c e s s i no r d e rt oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo ft h ec o m p u t i n g l 博 ：学位论文：皋r 过程集成技术的钒合金轮毅疲劳寿命研究 c o s t ，t h ep a p e rd e v e l o p sat i m e - e f f c i e n tm e t h o dt os i m u l a t et h ec u t t i n gp r o c e s s 3 f a t i g u el i f ei sav e r yi m p o r t a n tq u a l i t yi n d e xo ft h ea u t ow h e e l ，t h ew h e e l f a c t o r yh o p e st og e tt h el i g h t w e i g h tw h e e la n df u l f i l lt h eq u a l i t yi n d e xs i m u l t a n e o u s b a s e do nt h ec r a c k e x p a n dm o d e la n dw h e e lp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h ep a p e rd e v e l o p sa f a t i g u el i f ep r e d i c t i o nm o d e lo f t h el o wp r e s s u r ed i ec a s t i n gw h e e l 4 t h ep r o c e s si n t e g r a t e dm o d e li n c o r p o r a t e se v e r yi n d i v i d u a lp r o c e s so ft h e w h e e lp r o d u c t i o ni n t oo n em o d e l ，a n ds o l v et h ep r o b l e mi nac o n s i d e r a b l ec o s tf o rt h e i n d u s t r i a ln e e d s i nt h ei n t e g r a t e dm o d e l ，b o u n d a r yc o n d i t i o n so fo n ep r o c e s sa r et h e i n p u t sf o rt h i sp r o c e s s ，a n dt h er e s u l t so ft h i sp r o c e s sa l et h ei n p u t sf o rt h en e x t p r o c e s s t h i sm e t h o d sc a nl i n kt h ei n d i v i d u a lp r o c e s st oai n t e g r a t e dp r o c e s s ，f u l f i l l t h es u c c e s s i o no fd i f f e r e n tc o m p u t i n gs c a l e ，a n dg e tm o r ea c c u r a t er e s u l t so ft h e w h e e ls i m u l a t i o n t h ei n t e g r a t e dm o d e ls o l v e st h ep r o b l e mo fh o wt oi n t e r c h a n g e d a t ab e t w e e nd i f f e r e n tc o m p u t i n gs c a l ei n d i v i d u a lm o d e l ，a n dc o n s i d e r st h ei n f l u e n c e o ft h ee f f e c t so fc a s t i n gd e f e c t s ，r e s i d u a ls t r e s sa n dt e s tl o a d i n g 5 i no r d e rt of u l f i l lt h el i g h t w e i g h tr e q u e s to ft h ew h e e lc o m p a n y , t h ep a p e ru s e t h en e u r a ln e t w o r k s g e n e t i ca l g o r i t h mt oo p t i m i z et h ew h e e lg e o m e t r ya n dk e y c o n t r o lp a r a m e t e r so ft h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i nt h eo p t i m i z i n gp r o c e s s ，t h e f a c t o r yc a np r o d u c e t h el i g h t w e i g h tw h e e li nr e a l i t y t h ep a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so ft h el o wp r e s s u r e d i ec a s t i n gw h e e l ，i n t e g r a t e st h ee f f e c t so ft h ec a s t i n g ，h e a tt r e a t m e n t ，m a c h i n i n ga n d t e s tl o a d i n gi n t oo n em o d e lt os i m u l a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea l u m i n i u mw h e e l b a s e do nt h em o d e lt h e o r y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt e s t ，t h ep a p e rd o e sr e s e a r c ho n t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec a s t i n gp r o c e s s ，r e s i d u a ls t r e s s e so ft h eh e a tt r e a t m e n ta n d m a c h i n i n gp r o c e s s e sa n dt e s tl o a d i n gd i s t r i b u t i o n w i t ht h eh e l po f r e s u l t si n t e g r a t e d m o d e l ，t h ep a p e rd o e so p t i m i z a t i o no ft h ew h e e lt os a t i s f yt h eg o a lo fl i g h t w e i g h t f i n a l l y , t h ep a p e rm a k eap r o g r e s so ft h ec a ei n t e g r a t e da p p l i c a t i o no ft h ew h e e l d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s k e yw o r d s ：p r o c e s si n t e g r a t e d ，f a t i g u el i f e ，r e s i d u a ls t r e s s e s ，o p t i m i z a t i o n ， a l u m i n i u mw h e e l 博 ：学位论文：基r 过稃集成技术的锅合金轮毂疲劳寿命研究 1 1 引言 第1 章绪论 中国加入世贸组织之后，汽车零部件行业的资产逐年上升，占整个汽车：i ：业 总资产的比例也由2o 02 年的5 左右跃升至2006 年的35 左右。当 前，汽车产业日益成为我同同民经济中一个重要的支柱产业，而汽车零部件工业 是整个汽车工业中上游产业，它在整个汽牟工业链中占据越来越重要的位置。中 国巨大的市场潜力以及低廉的劳动力正吸引着越来越多的跨国汽车零部件集团， 据统计，在全国5000 多家汽车零部件企业中，目前有l200 多家是外商投 资企业，h 其中大多是世界500 强企业。中同开始成为世界汽车零部件生产工 厂，市场竞争愈演愈烈。 随着冈际原油价格的l i 断提高以及各同政腑对能源利用效率提出新的要求， 整车企业竞争压力逐渐加剧，并随之传递到了零部件食业。在汽车零部件制造上 业中，如何有效的制造出更轻更经济的运输一l 其已经成了每个厂商的追求目标。 行业中的技术领导厂商一般通过进行以下西个方而的努力来达成日标：根据工厂 的实际情况发展和集成现有技术，或者开发一种新技术以满足商业生产的需要： 究竟采取哪种方式来达成目标，这丰要由厂商相对】：竞争者的差异化优势来决 定。对于周内的厂商，主要还是发展和集成现有的技术，并结合国内特有的技术 和劳动力成本优势，来形成竞争力。对于特定的零件，在科学理论方法和工厂经 验的基础上，机械零件结构的设计和制造过程的集成控制成了这其中的关键冈 素。 在“汽车车轮”工业巾，通过高强度的铝合金铸造件替代传统的铸铁件能有 效的降低零件的质量。如我国一汽奥迪车用铝合金车轮做节油统计实验，对轿车 来说，每个铝合金车轮比钢车轮可减轻重量3 0 - - - 4 5 。车轮、r 均每减轻1 0 ， 在、卜均车速为9 0 - 1 2 0 k m h 的条件下，其油耗r 均可减0 0 1 3 1 l 1 0 0 k i n 。奥迪锚 合金轮毂一重为4 9 2 n ，比同类型的钢车轮减轻3 9 5 ，整车甲均车速9 0 - - - - 1 2 0 k m h 行使的条件f ，油耗可减少0 0 5 i l 1 0 0 k m ，如果在城市里低速行使，也 可减少油耗0 0 4 l 1 0 0 k m 。而英同某国内公司的报道说，若车轮重量j f 均减1 0 n ， 博 ：学位论文：璀1 ：过翻袋成技术的铝仑金轮毅疲劳寿命螂f 究 对普通轿车而言，每跑l o o k m 路程可节油0 6 l 。【1 】铝合金车轮4 i 仅具有质量轻、 节能的特点，还具有高导热性，有利丁轿车闪高速行使轮胎发热后的散热，与相 同条件卜的钢车轮比较，减少了轿车长距离高速行使生产爆胎的可能性，明显提 高了轿车高速行使的安全性能。不仅如此，由j ：铝合金车轮的散热效果较好，凡 与其直接接触的零配件( 如制动闸) 也相对提高了寿命。铸造锚合金车轮最终都 需要经过数摔机床进行机械加工，所以车轮的直径精度、轴向跳动精度和径向跳 动精度都更为突出。这是整车在行使t f ，的抓地性、偏摆性、平稳性和遇到意外时 的制动性等，都优下传统的钢车轮。【2 0 】 就铸造铝合金车轮而言，国外报道过的制造方法有：重力铸造、低压铸造、 液态积压、离心铸造、真空铸造、半固态铸造等。其中重力铸造的约占4 0 ； 低压铸造的约占4 0 ；其它方法占2 0 。【4 】高压铸造的液流是祚：高速的紊流条 件f 填充的，型腔中的空气在高压冲击卜弥散分布到铸件中形成皮f 气孔，如果 作热处理，气孔中气体受热膨胀引起铸什表而起泡和变形。所以高压铸件是不能 作热处理的，这对塑性要求极高的铝合金车轮来说，当然是1 、= 安全的。而低压铸 造和重力铸造的液流是层流填充，是一种无气孔的铸造法，可通过热处理来提高 铝合金车轮的力学性能( 尤其是伸长率) ，确保了铝合金车轮的安全。但是该方 法冷却速度慢，品粒相对较为粗大，同时生产节奏也较慢。我国于1 9 8 0 年代中 期开始研制、生产推广并出口铝轮，1 9 8 8 年第一家铝轮圈仓业戴卡铝轮毂公司 成立。1 9 9 0 年代进入发展期，浙江万中奥特、广东南海中南铝合金等一批锚轮 企业迅速建立起来，铝轮迅速得到推广。2 0 0 3 年中同大陆汽车装车率超过5 0 ， 摩托车铝轮装车率已超过5 5 。我国的汽车铝合金铸造方法大都是结合氽业本身 的人力、财力来决定的，汽车铝合金车轮生产中大部分采用低压铸造的方法。 5 6 1 铝合金车轮生产完成以后，为了验证车轮在实际：l ：况卜的性能，一般需要进 行以下三个车轮性能：动态弯曲疲劳实验，模拟车辆祈：行使过程中持续转弯时车 轮承受弯矩的能力；径向滚动疲劳实验，测试汽车在道路上行使时，车轮所具宵 的抗疲劳性能：冲击实验，考核车轮受到侧而冲击的承受能力。 铝合金车轮车轮是一个安全性要求很高的汽车零部件，车轮的质量直接影响 到汽车行使中驾驶人员的安全。对予车轮这样的承载周期性域荷的旋转件来说， 疲劳寿命是其最重要的安全指标。疲劳破坏是导致当今工程结构实效的最常见的 2 博。 ：学位论文：基- f 过稃集成投术的销合金轮毅疲劳寿命研究 原因之一。根据文献统计，占各类机件破坏总数的8 0 到9 0 都是由疲劳断裂 引起的，所造成的直接经济损失占同家每年同民生产总值的6 到8 。美同实 验与材料协会( a s t m ) 对疲劳的定义为：在某点或者某些点承受扰动应力，且 有足够多的训话扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永 久结构变化的发展过程。 工程师在设计轮毂时，需要以轮毂的特定工况条件为基础，根据轮毂的材料 特性参数及结构参数来合理的设计。轮毂设计生产完成后，车轮的疲劳寿命一般 通过汽车j 二业疲劳循环加载试验来验证。【7 】虽然- j ：业实验能取得轮毂实际：l ：作情 况的疲劳寿命，但是耗时耗力。对r 产品开发蒯期和生产周期要求很高的汽车零 部件工业来说，这种实测的做法没有经济性可言。所以越来越多的厂商对于轮毂 疲劳寿命进行分析设计逐渐重视。由于轮毂的几何形状、制造过程和应力水- 甲等 都和标准铝合金试件疲劳实验的边界条件不一样，虽然所得铝合金试件疲劳标准 具有一定的指导性，但由于边界条件不同，轮毂的实际疲劳寿命和标准的偏筹比 较大，对轮毂的疲劳寿命进行分析设计的难度还是很高。 为了使轮毂更轻、性能更好以达到节约能源的目的，在轮毂设计初步完成后， 需要对轮毂进行优化分析，以尽可能的将轮毂的性能提y l 到临界水乎。优化过程 主要从两方而着手：结构优化和制造过程优化。对_ r 结构优化，考虑结构边界条 件，主要对轮毂的外形尺寸进行优化以满足重量最小。对于制造过程优化，主要 针对制造过程中的参数设计进行优化，以满足轮毂重量更轻性能吏好的要求。 1 2研究背景 本论文的研究背景来源于浙江大学化工机械研究所与浙江万丰轮毂厂合作 的“数字化设计制造系统”项目。存该项同中，本人负责锚合金轮毂制造过程的 集成研究。本文提出了基于铝合金轮毂集成制造过程的疲劳寿命预测和评估模 型，并以此为基础，应用优化算法对轮毂的结构和制造过程参数进行优化以达到 重量最轻的优化目标。 铝合金轮毂的生产过程首先是铸造。铸造过程中的充型和凝固条件会影响铸 件的微观组织，也会对潜神：的铸造缺陷产生影响。铸件生产好后接着进行t 6 热 处理，以改善微观结构的均匀化程度。热处理| l 的淬火过程会在轮毂中引起残余 3 博i ：学何论文：基j ：过稃集成技术的销合金轮毅疲劳寿命研究 应力。接着对轮毂进行机加工切除多余的衷而，有时会将表而的残余应力状态由 受压变成受拉。经过这一系列的生产加工过程，残余应力、局部应力集中和试验 载荷综合在一起，将对轮毂的疲劳寿命产生重要的影响。与铸铁件相比，铸造铝 合金的微观组织更为复杂，包括很多不同大小的富含铁合金的金属问化合物和硅 相区，很多的缩松和气孔等( s - 埘。这些小同的状态有可能提高铝合金铸件的性能， 也有可能降低性能。 轮毂疲劳寿命一般预测方法为结构预测法，该方法仅通过轮毂结构形状米预 测疲劳寿命，因为没有考虑到轮毂制造过程的影响，所得结果和试验结果偏差较 大。本论文基r 铝合金轮毂的生产特性，提出了基j ：集成整个生产过程的疲劳寿 命预测方法。该集成方法将以前独立的铸造过程、热处理过程、机加工过程和加 载过程集成到统一的模型中，并基于铝合金轮毂的生产特性改进这些独立的过程 模型，最后通过计算机模拟仿真技术预测轮毂的疲劳寿命。计算模拟结果结合有 限的轮毂疲劳实验来改进和评估集成模型。通过运用集成疲劳寿命预测技术，能 极大的减少疲劳循环实验的测试次数，从而可以将更多的研究精力集中在轮毂结 构参数和制造过程参数的改进上，以改善轮毂的生产效率。 对于汽车轮毂来说，安全性是一个非常重要的考虑因素。传统的设计准则运 用安全系数来保证产品的失效。在许多的】：业应用领域，许用安全系数通常由设 计准则或者安全标准米规定。考虑到l ：程领域中的大部分设计是间接的拷贝前人 以行业规范或标准为基础的设计，或者直接的以规范标准进行新的设计，基于新 的方法的产品可靠性的创新性设计不能得到上业的认可，冈为工业安全性的评价 标准是以安全系数为基础的，斯安全系数又多数山设计者的经验所决定。新产品 设计出来以后需要通过随后反复的实验，验证其可靠性。在汽车零部件：l 业中， 由f 产品的开发复杂性以及开发蒯期的紧迫性，这会产生很高的设计生产成本。 轮毂的设计制造过程通常掷是以设计人员的经验做为依据，进行产品的结构尺、j 设计。虽然按照以往的经验，设计的轮毂基本能满足安全标准的要求，但轮毂的 设计基本偏向j ：保守。为了能满足工况要求，一般轮毂的余量都放得比较大。而 对不断增加的原材料成本和轻量化设计目标，这种设计模式显然不符合要求。多 订标优化设计能满足轻量化设计的要求。以传统的材料特性参数和上程经验为指 导，根据轮毂设计制造的过程特性，运用合适的多同标优化算法，以达到性能最 4 博i ：学何论文：雉j ：过程集成技术的销合金轮毅疲劳寿命研究 优质量最轻的轮毂设计r i 标。传统的汽车零部件优化方法主要集中祚：轮毂的几何 尺、j 优化或者制造过程参数优化上。以前尺、j 。和制造过程的优化方法一般是独立 的。本论文试图运用多目标优化算法，将轮毂几何尺寸和制造过程的优化方法集 成，以提升轮毂设计的水平和效率，缩短设计开发时间，降低整个轮毂产品生命 周期的成本。 1 3研究目标 本文的研究目标主要有以f 五个部分： 铸造过程数学方法：铝合金轮毂是通过低压铸造工艺生产的，由丁：铝合金中 氢溶解率变化的特性，锚合金铸造过程会形成气孔和缩松的缺陷，影响铸件的整 体性能。铝合金的气孔和缩松缺陷正处r 研究中，其机理现在还没完整的数学方 程可以表达。本论文结合铝合金轮毂低压铸造的特点，在以前学者所研究的理论 基础上，结合工厂的实际生产经验和实验对比，提出适用予铝合金轮毂的缺陷预 测模型。 轮毂加 过程残余应力数学方法：残余应力是影响轮毂应力状态分布的主要 因素之一。论文采用理论模型和有限元模拟的方法轮毂进行求解。铝合金轮毂经 过t 6 热处理后会产生热处理残余应力，采用准耦合方法，利用有限元软件模拟 轮毂热处理过程，研究该过程中残余应力的分布规律。随后对轮毂毛坯进行机加 工以切除多余材料，在轮毂含有热处理残余应力的基础上，运用任意拉各朗日欧 拉( a l e ) 方法，模拟机加j ：产生的残余应力。为了加快计算效率和精度，节 省计算机资源，计算过程采用了一种调整的时问效率计算方法。 轮毅疲劳寿命预测方法：疲劳寿命是铝合金轮毂的一个最重要的质量指标， 汽车零部件厂商期望得到经济型的疲劳寿命，即满足轮毂工况要求囱最有效的利 用材料。本论文的疲劳寿命预测以裂纹扩展模型为基础，结合轮毂的制造过程， 在裂纹扩展模型的基础上，综合了制造过程生成缺陷的影响因素，提出了适用于 低压铸造锚合金轮毂的轮毂疲劳寿命预测模型。 过程集成方法：过程集成模型将单个的材料成型过程结合到模型中，从而提 供满足工业需要的求解方法。在过程集成模型中，每，一个处理过程的边界条件作 为该过程的输入，同时前一个过程的输出结果也要作为该过程输入参数。这样就 5 博j - 学位论文：幕j ：过稃粜成技术的钒合金轮设疲劳寿命研究 能簟个过程作为整体集成，满足4 i 同尺度问连续性的要求，进而得到更精确的解。 该集成模型的关键是如何有效的完成微观模型与宏观模型之间的尺度转换和参 数传递问题。轮毂疲劳寿命过程集成模型首先求解铸造过程，得到影响疲劳寿命 的关键参数：气孔和次枝晶长度( s d a s ) ，并将轮毂的几何参数结粜和应力结 果输出。在热处理过程中，将铸造过程的输出结果做为热处理过程的输入参数， 求解热应力，并将轮毂的几何参数结果和应力结果输出。机加工过程以热处理过 程输出结果为输入参数，求解并输出轮毂的几何参数结果和应力结果。疲劳加载 过程以机加j ：过程输出结果为输入参数，求解轮毂最终应力分布，最后结合铸造 过程求得的气孔和二次枝品长度，预测轮毂的疲劳寿命。 多目标优化方法：为了满足汽车零部件厂商的要求，达到轮毂轻量化设计的 目标，本论文采用“神经网络”的优化算法对轮毂的几何尺j 和制造过程中的关 键控制参数进行优化。通过几何尺寸与制造参数的优化组合，更符合生产实际的 满足轻量化的目标。 1 4论文和研究范围总括 本文研究了a 3 5 6 铸造铝合金轮毂的生产过程集成技术，并以此为基础预测 轮毂的疲劳寿命。同时运用“神经网络遗传算法 ，对铝合金轮毂的结构尺寸和 制造过程控制参数进行了综合的优化，以满足轮毂轻量化的目标。本论文的各部 分的主要内容如下： 第一章介绍了本论文的研究背景和研究目标。 第二章主要对以往的研究进展和应用现状进行了总数。主要介绍了铝合金铸 造的研究内容和发展方向、轮毂的生产制造过程、轮毂疲劳寿命最新的评估技术 和针对制造过程的优化方法。 第三章介绍了铸造过程模拟的理论方法和数学模型。根据铝合金轮毂低压铸 造生产过程的特点，提出了铸造过程中的气孔缺陷预测模型和_ 次枝品长度生长 模型。运用新的预测牛长模型模拟的低压铸造锚合金轮毂的生长过程，岁 ：将所得 模拟结果与品相分析结果进行对比。 第网章介绍了轮毂加工过程中产生残余应力的理论模型和方法，提出了适合 铝合金轮毂生产的残余应力模型。热处理过程和机加+ l ：过程都会对轮毂产生残余 6 博 ：学俺论文：幕r 过界榘成技术的钒合金轮毅疲劳寿命研究 应力，本论文研究中，提出了热处理过程采用反求传热系数的方法对残余应力进 行了模拟，而机加工过程则采用“调整时间效率”方法加快机加工残余随力模拟 的计算速度。最后将热处理和机加：【模拟所得残余应力与传统模拟方法和实验结 果进行对比。 第五章，提出了过程集成方法和轮毂生产制造的理论模型，基于本文提出的 方法，应用计算机仿真模拟软件模拟了铸造过程所产生的气孔缩松等缺陷，热处 理过程、机加上过程和疲劳实验加载过程所引起的轮毂残余应力的变化。通过测 试实验轮毂的局部应力水平，轮毂材料的应变水平，轮毂薄弱部位的缺陷状态等， 对理论值与模拟值进行数据拟和分析，评价基f 过程集成技术的疲劳寿命预测方 法的自效性。 第六章，结合计算机模拟结果，对轮毂结构尺、j 的关键部位和制造过程中的 关键影响参数进行综合优化设计。由r 轮毂的辐条的结构尺寸对轮毂承载能力影 响最大，而铸造过程中的模其温度控制对缺陷的影响较大，优化的对象以这两者 为基础，优化的日标为轮毂重量最轻。 第七章结论。对全文进行了总结，阐述了本论文的创新点。 本文的结构框架如下图 图1 1 论文结构框架 7 博l 学何论文：雉j ：过稃集成技术的智；合金轮毅疲劳寿命研究 第2 章背景和文献综述 2 1 铝合金汽车轮毂 铝合金汽车轮毂的生产过程书要为铝合金的熔炼、铝合金车轮铸造、车轮热 处理、车轮机加上、车轮的涂装和性能实验等几个步骤。铝合金轮毂制造生产过 程示意图如下图2 1 。 圜黪瞥泠崮 r a wm a t e r i a l m e l t i n gp r o c e s s t h e r m a lt r e a t m e n t 锈l 寒：怒i 铂 x r a yi n s p e c t i o n p r e s s u r et e s t p u n c h i n g p a i n t i n gp r o c e s s f i n a lp r o d u c t b u s hs t r i k i n g 图2 1 铝合金轮毂生产制造流程示意图 2 1 1 铝合金轮毂低压铸造 低压铸造是一种利用气体压力将液态金属压入铸型，并使铸件在一定的压力 作用下结品凝同的铸造方法。气体压力一般为0 1 - 0 3 5 m p a 。铝合金低压铸造过 程是在一密封的保温炉内，通入干燥的压缩空气，铝合金熔液在气体压力的作用 - 卜沿升液管通过浇口进入车轮型腔，并保持气体压力的条件卜完成铸件凝 i i i l ，然 后卸除容器内的气体压力，使丁i 液箭和浇u 中未凝固的金属液回到保温炉，已凝 固的锚合金在车轮铸型中形成所需的铸件。冈为铝合金的特性和低压铸造工艺的 特性，铸造生产的铝合金轮毂可能会产生一些缺陷：如气孔缩松，热节，氧化夹 8 博1 _ n 论女：# 1h $ a 技术n ：舟轮毅城* s 命宠 渣等。为r 士卒剖这些缺陷的产，壬或者将这些缺陷的影响降到最低，般通过精确 的黼整铸造i i 岂( 如模具形状、模其温度、j 却时| i | j 、克型堆力等) 来逃 设计 期望的缩粜 2 1 2 铝合金轮毂热处理 铸诸锚合金在铸态f 的力学性能杵往不能满足要求，需通过热处理进步捉 高。热处理的目的，大致可以分为以r 儿个方肼：l 、充分捉高铸f l 啪力学性能， 改善合金的切削加i 性能等：2 、消除山j ：铸什壁厚4 ：均匀、快速冷却等所造成 的内麻力；3 、稳定铸件的尺1 j 和组织，防止和消除闪高泓0 起的千h 变产生体秋 胀大现象：4 、消除偏析和针状组织，政善舟金的目1 织和力学性能。 基j 铸造锚台金的组织特征：l 胡溶体品牝埘围存在相大的缺i 孙升l 织；同溶体 内部浓度小均匀和存在第一琐质点：品牲问小双自气孔和显微缩松，而h 还有卅 金属夹杂，从而阻碍打散过程的进行。铸造销卉金n 一淬火温度f 需经过k 时间俅 温，往往要几小时甚垒p 儿个小时，才能使强化村 “a 刚溶体巾达到茹人的溶 解度这足铸造铝台盒热处理的士妥特点之一。 铸造毛u 合金热处理的h 一特 就是铸仆形状复杂，壁厚1 i 均匀。为，避免热 处理变形，有肘需要特制的热处理吏具和在温度较高的水( 5 0 1 0 0 ) - ，淬火， 铝合金4 三轮淬火炉示意罔如r 罔2 2 。为了绵短生产j 爿期和提高铸什性能通常 采于| 人j - 时效钳台金车轮时效炉示童罔如f 罔2 3 。 图22 铝台金车轮淬火炉 * 学什伦z ：# j h n m “* # ；盘轮设* 寿q f 究 固23 铝台金轮髓时效舻示意图 现行i 厂铝台金轮毅的t 6 热处卑i 岂规范为： 卉1 溶处理( 5 3 5 5 ) ，保 湍3 4 小时，淬火介质为水* 艘6 0 ，淬火延续时口】( 转换时唰) 小ri5 s ： 时散处珊( 1 6 5 5 ) ，保温3 - - 4 h 。其体上艺视l 厂零件太小、尺、j 发热处理 设备1 i 同而作适与调整。 2 1 3 铝合金轮毂机加工 锚合台轮彀的机械加_ l 过程畸其他金属切削样，通过j “品与川具的相对运 动得到丰饲应产吊丧而。与其他金属椰比铝合金有以f 特 ：1 、锚合金硬度技低 一股控制在6 0 1 0 0 h b s2 问：2 、锚合金韧性好；3 、锚台金热传持性强，散热 效粜好：4 、铝合金密度小重量轻；5 、错合金与钢铁棚比，机械强度、刚性较 弱。其他金属相比，舒；合会计：加工过程巾宵咀卜特点：i 、j j 具造型上宜采j 玎 带排屑榴、前角较大、修光川长的川具：2 、祧川，导致农而要求达_ ：到设计要 求，必颁在加i 巾注意产1 披，j 其的润滑和冷却，加i 过程- i - 易产生拉毛、扣仡、 划伤等小良现馨：3 、由丁质软、硬度底、易形成切削癌，加l 时必须考虑排屑 问题，锚合金热传导性强、硬度底，n 加j 一过程1 1 小会产生局部过热现象可采 用高线速加i 将旮利丁提高乍f 效率和产品裘而赝量：4 、加工时必颁考虑装炙、 定位，防止i “- 记弹性变彤进成尺_ 或行位公井超燕。锚俞金轮毂的机由f i 。l 艺蹄 线如ir 所示| 錾124 ： 博t 学侮论文：恭t 过稃集成技术的锦合金轮毅疲劳寿命研究 曰 2 1 4 性能实验 回一圈 奠，r i 园圃 图2 4 轮毅机加工工艺路线示意图 目前汽车车轮行业比较普遍采用的车轮性能实验包括：动态弯曲疲劳实验， 径向滚动疲劳实验和冲击实验。在行业内，这三个性能实验目前还没有统一的数 值评价标准，各个车轮生产企业根据客户的要求会各一指定相应的数值评价指 标。d 2 1 动态弯曲疲劳实验是模拟车辆在行驶过程中持续转弯时车轮承受弯矩的能 力。参照标准是“q c t 2 2 1 1 9 9 7 汽车轻合金车轮的性能要求和实验方法 。其 实验装置示意图如f 陶2 5 ： 图2 5 轮毂动态弯曲疲劳实验示意图 径向滚动疲劳实验是测试汽车在道路上行使时，车轮所具有的抗疲劳性能。 参照标准是“q c t2 2 1 1 9 9 7 汽车轻合金车轮的性能要求和实验方法”。其实验 装置示意图如f 图2 6 ： 博卜学位论文：耩r 过稃集成技术的铝合金轮毅疲劳寿命研究 石 、o 霪i l 。a i a r u m 褫 涪。协 l 瓞2 - ；y ， j 圈2 6 轮毂径向疲劳实验示意图 冲击实验是考核车轮受侧而冲击的承受能力。参照标准是“g b t1 5 7 0 4 1 9 9 5 轿车车轮冲击实验方法”。其装置示意图如下图2 7 ： 图2 7 轮毂冲击实验示意罔 2 2铸造过程关键性能影响参数 w i t ht i r e 低鹾铸造是种利用气体压力将液态金属压入铸型，并使铸件在定的压力 作用下结晶凝固的铸造方法。气体压力般为0 1 0 - 、0 3 5 m p a 。低压铸造的摹本 原理为：在一密闭的容器内，通过干燥的蚯缩空气，金属液在气体压力的作用f 沿升液管上升通过浇u 进入型腔，并保持气体压力的条件f 完成逐渐凝闻，然后 卸除容器