汽车差速器结构有限元分析研究毕业论文.doc

汽车差速器结构有限元分析摘要随着社会发展，铝合金压铸件的应用越来越广泛。但是由于各种因素，铝合金压铸件存在着诸多缺陷，如缩孔、缩松、气孔、裂纹、氧化夹杂等。这些缺陷制约了压铸件工业的发展，影响压铸件的力学性能，安全性能。压铸过程数值模拟是现代铸造工业的重要手段，通过对工艺参数的分析研究，可以优化方案，从而确保铸件质量，提高生产效率。这也为铸造工程师提供新的途径来研究压铸过程。本文主要是运用 ANSYS 分析软件，对汽车铝合金差速器支架和发动机悬置隔垫进行分析，观察其缺陷，然后针对这些缺陷进行工艺优化、改进。优化后再模拟。本文进行的受力分析，为优化压铸工艺提供了理论依据和指导，实现了数值模拟的意义。关键词：压铸 ADC12铝合金 支架隔垫 有限元分析The automobile differential structure finite element analysisAbstractWith the development of the society, there is an increasingly wide use of aluminum die casting. However, due to various factors, many defects exist in the aluminum die casting, such as shrinkage cavity, shrinkage porosity, pores, cracks and oxide inclusion, etc. These defects restrict the development of casting industry and influence the mechanical properties and safety performance of die casting.Numerical simulation of die casting process in an important way in modern casting industry. Forecasting the quality of aluminum gear housing by simulating can reduse the blindness of the development of die casting process; through the analysis of process paraments, the program can be optimized so as to ensure the quality of casting and improve production efficiency . This also provides a new way for foundry engineers to study die-casting process.This paper mainly uses ANSYS to stress analysis on differential stents and the engine mount the pad,then to optimize and improve these defects. And simulation again.In this paper , the simulation analysis provides theoretical basis and guidance for optimizing the die casting process to realize the significance of the numerical simulation.Key words: die casting adc12aluminum alloy stents septa finite element analysis目录目录III第1章 绪论11.1 课题背景11.2 铝合金及adc12型铝合金的性能特点11.2.1 晶体特性11.2.2 理化性能21.2.2 理化性能21.2.3 铝及铝合金热轧组织与性能变化31.3 铝合金的分类及应用41.3.1 铝合金的分类41.3.2 铝及ADC12合金的应用51.4 本文研究内容5第2章 压铸工艺形成的ADC12铝合金力学性能的研究62.1 铸造铝合金的介绍62.2 ADCl21R 合金成分设计62.3 实验结果与分析72.4 讨论92.5 本章总结10第3章 铸造铝合金缩孔形成理论123.1 铸造分类及特点123.2 铸造的缺陷123.3 铝合金铸件缩孔形成机理133.4 铝合金铸件中影响缩孔形成的因素133.5 原始状态铸件性能与挤压铸造性能对比143.6 本章小结15第4章 有限元法与ANSYS164.1 有限元分析方法概述164.2 有限元分析的基本思想164.3 ANSYS的主要功能174.4 ANSYS提供的分析类型184.5 本章总结19第5章 丰田422aRAV4差速器支架及发动机悬置隔垫有限元分析205.1 零件模型205.2 网格划分225.3 各零件在不同工况的受力情况及其分析245.4 本章总结38致谢40参考文献41附录42第1章 绪论节约资源和能源、改善各种建筑机械的结构已成为人类生产生活中所追求的重要目的，材料的轻量化显然是有效的发展途径之一，其中铝合金密度低和力学性能好而且易于加工成型，因此成为轻量化首选的金属材料。进入21世纪以来，世界铝及铝加工业获得了迅猛的发展，我国的铝及铝加工业也掀起了第三次发展高潮。2007年，世界原铝产量达3880万吨（其中废铝产量1700万吨），铝材消费总量达4275万吨；铝加工材年产量达3200万吨，并仍以5%6%的年增长率增长；我国原铝产量达1260万吨（其中废铝产量250万吨），连续五年居世界首位；铝加工材年产量达1176万吨，一举超过美国为世界加工材产量最大的国家1。但是我们应该清楚的看到，我国铝加工材在品种、质量以及综合经济效益指标等方面与国际先进水平仍有一定差距。铝合金保持了质轻的特点，且机械性能明显提高。成本低，而且使用一种加工工艺可以大量生产同样的零部件，这也是他的特点之一。它的材料特性是轻、容易加工、以及在可耐强度方面不象碳素纤维有一个最大受力范围。还有就是铝合金容易加工和具有高度的散热性。特别是车辆引擎部分特别适合使用铝合金材料。这里几乎完全是铝合金的一家天下。此外，铝合金的加工工艺多种多样。通用性较强。1.1 课题背景不久前哈尔滨吉星机械有限公司为了给丰田422a RAV4车型生产汽车差速器支架及发动机悬置隔垫，由于是铸造工艺，铝合金毛坯件的气孔问题无法避免，所以分析这些零件的受力分析以便在铸造过程中在危险区域注意加工，使气孔率分布在不危险的区域 ，使零件拥有更长的寿命，此课题由此产生，其结果对提高该铝合金生产效益有重大意义。本文通过受力分析预测危险点，并与实际对比，检验试验数据的正确性。最终以此为依据指导下一批铸造的生产，提高经济效益。1.2 铝合金及adc12型铝合金的性能特点1.2.1 晶体特性铝是元素周期表中第三周期主族元素，具有面心立方点阵，高纯铝的晶格常数为4.049410-10。对于5083铝合金，它属于Al-Mg二元体系，大致有四种相：（复杂面心立方）、（复杂菱形六面体）、（体心立方）、（尚未确定），其中相的表达式为：-Al3Mg2、-Al30Mg23、-Al12Mg17。21.2.2 理化性能铝是元素周期表中第三周期主族元素，具有面心立方点阵，高纯铝的晶格常数为4.049410-10。对于5083铝合金，它属于Al-Mg二元体系，大致有四种相：（复杂面心立方）、（复杂菱形六面体）、（体心立方）、（尚未确定），其中相的表达式为：-Al3Mg2、-Al30Mg23、-Al12Mg17。21.2.2 理化性能铝的密度为2.72g/cm3，约为铁的1/3，故铝基合金的密度都比较小，一般在2.52.88g/cm3之间，但比强度高(等重量时的强度)，可与合金钢相比。比刚度高(等重量时的刚度)，可与镁合金材料及钢材相当，但远高于工程塑料。详细的热学性能、电学性能及膨胀系数等数据如表1-1所示2。表1-1物理性能性能高纯铝（99.996%）工业纯铝（99.5%）晶格常数（20%）,10-104.04944.04密度（20）,kgm-3（700）,kgm-3269827102.373熔点,660.24约650沸点,2060溶解热,（105J/kg）3.9613.894燃烧热,（107J/kg）3.0943.108凝固体积收缩率/%6.6比热容（100）,J（kgK）-1934.92964.74导热率（25）,W（mK）-1235.2222.6（O状态）线膨胀系数（20100）,m（mK）-1（100300）,m（mK）-124.5823.525.4525.6弹性模量,MPa70000电导率,Sm-164.9459（O状态）57（H状态）电阻率（20）,m0.0267（O状态）0.0292（O状态）0.0302（H状态）电阻温度系数,m/K0.10.1体积磁化率,10-76.276.26磁导率,（H/m）1.01.0反射率(=2500 10-10),%87(=5000 10-10),%90(=2000010-10),%97折光率（白光）0.781.48吸收率（白光）2.853.92辐射能（25，大气中）,W/m20.0350.06注：O状态：退火状态，H状态：加工硬化状态铝还具有比其它有色金属、钢铁、塑料和木材等更优良的特性，如良好的耐蚀性和耐候性；良好的塑性和加工能力；良好的导电性和导热性；良好的耐低温性能，对光热电波的反射率高，表面性能好；无磁性；基本无毒；有吸引音性；耐酸性好；抗辐射性能好；弹性系数小；良好的理想性能；优良的铸造性能和焊接性能；良好的撞击性、此为，铝材的高温性能、成型性能、切削加工性能、铆接性能、胶合性能及表面处理性能等也很好。因此铝材在航空、航天、交通运输、电子电器、冶金化工、机械制造、包装防腐、电器家具、等领域都获得了广泛应用。其中5系合金中的主要合金元素是镁。镁在铝中的溶解度很大，在共晶温度451下镁的溶解度高达14.9%（质量），随温度降低，溶解度很快下降，在常温下约为1.7%，但过饱和的固溶体分解慢，不用特别处理。一般商用5系合金中含镁0.5%6.0%（质量）。另外还含微量的Mn和Cr，以提高合金强度和耐腐蚀性，但锰含量过高是会显著降低合金塑性，特别是含微量钠是容易在热轧过程中发生钠脆；Cr可以提高合金耐蚀性，还能抑制晶核形成和晶粒长大。ADC12型合金各成分具体含量见表1-23。铝铜（Cu）硅（Si）镁（Mg）锌（Zn）铁（Fe）锰（Mn）镍（Ni）锡（Sn）余量1.53.59.612.0.0.31.00.90.50.50.31.2.3 铝及铝合金热轧组织与性能变化铝合金在高温下塑性高、抗力小，加之原子扩散过程加剧，伴随有再结晶，有利于组织的改善。在三向压缩应力状态占优势的情况下，热变形能最有效的改变铝及铝合金的铸态组织，给予适当的变形量下，可以使铸态组织发生以下四点有利变化4：1、一般热变形是通过多道次的反复变形来完成的。由于在每一道次中硬化和软化过程是同事发生的，变形破碎了粗大的柱状晶粒，反复的变形，是材料的组织成为较均匀细小的等轴晶粒，同时，还能使某些微小的裂纹得以愈合。2、由于应力状态中静水压力的作用，可促进铸态组织中存在的气泡焊合，缩孔压实，疏松压密，变为较致密的组织结构。3、由于高温原子热运动能力加强，在应力作用下，借助原子的自由扩散和奇异扩散，有利于铸锭化学成分的不均匀性相对减少。4、通过热变形，铸锭组织改变成了变形组织（或加工组织），并具有较高的密度、均匀细小的等轴晶粒及比较均匀的化学成分，因而塑性和强度指标都有明显的提高。铝合金显微组织主要受到以下几个因素的影响5，(a)铸锭均匀化处理铸锭均匀化处理通过改变铸态组织中第二相粒子大小和分布，从而影响到热轧过程的回复与再结晶温度。粗大的非固溶第二相粒子，作为再结晶形核位置，有利于再结晶的发生，而细小均匀分布的第二相粒子将阻碍再结晶的发生。(b)合金化学成分合金元素的加入，一方面增加了铝合金高温强度，由此增加再结晶驱动力;另一方面固溶元素也会阻碍晶界的迁移速度。因此，合金元素对再结晶的影响取决于以上两个方面的作用情况，既可能加速再结晶也可能阻碍再结晶6。大量研究表明，Mg、Zn等元素的加入会降低再结晶的温度，在含这类元素的铝合金热轧过程中容易得到再结晶组织，Mn、Cr、Zr、Fe等元素的加入会提高再结晶温度，这类铝合金热轧过程中容易得到回复的亚结构组织。但是，多种合金元素加入的作用极为复杂，取决于这些合金元素所形成的相结构、大小及分布等。(c)轧制工艺参数轧制工艺参数包括各道次轧制温度、轧制速度、道次压下率以及道次间停留时间等。N.Ragimathan和T.Sheppard对Al-Mg合金(5056)热轧辊缝内显微组织的演变规律进行了研究7，发现只有亚结构只在出辊口附近才达到稳定状态，轧制温度和道次压下率对亚结构与再结晶有着较大的影响。轧制温度越高，回复程度越高，在较小的道次压下率时，亚结构不会完善地形成，道次压下率较高时，再结晶的可能性增加。因此，轧制出口温度对决定热轧显示微观组织是极为重要的。材料经过轧制，铸态组织转变为加工组织，这大幅度提高了材料的塑性。这种轧制方式的特性决定了轧制后板材性能存在着各项异性，一是材料的纵向、横向和高向有着明显的性能差异，二是存在着变形织构和再结晶织构，在轧制性能上存在明显的方向性。1.3 铝合金的分类及应用1.3.1 铝合金的分类铝合金的分类方法很多，目前使用最广泛的有三种分类方法：按合金状态及热处理特点、按合金性能及用途、按合金所含主要成分。我国采用按合金所含主要成分命名即4位数码法，具体分类见图1-3。热处理铝及铝合金纯铝1系Al-Mn系合金3系Al-Si系合金4系Al-Mg5系Al-Cu系合金2系Al-Mg-Si系合金6系Al-Zn-Mg-Cu系合金7系Al-Li系合金8系加工材非热处理热处理铸造材非热处理纯铝系Al-Si系合金Al-Mn系合金Al-Cu-Si系合金Al-Cu-Mg-Si系合金Al-Mg-Si系合金Al-Mg-Zn系合金图 1-2 铝及铝合金分类示意图1.3.2 铝及ADC12合金的应用铝材在交通运输业、航空航天工业、电子/电器业以及其他行业应用十分广泛，其轻质，高强度，易加工和各种良好的理化性能成为越来越重要的金属材料。本文所研究的ADC12型合金由于其理化性能，被广泛用于需要有高的抗蚀性、良好的可焊性、和中等强度的场合，诸如舰艇、汽车和飞机板焊接件；还有需要严格防火的压力容器、制冷装置、电视塔、钻探设备、交通运输设备、导弹元件、装甲等。1.4 本文研究内容为解决吉星机械有限公司铸造避免气孔率的问题，本文对吉星机械有限公司所使用的ADC12铝合金铸锭进行力学性能测试和研究。同时通过ANSYS进行力学分析计算得出铸件的危险区域，从而对危险区域进行特别处理使试件寿命更长。第2章 压铸工艺形成的ADC12铝合金力学性能的研究2.1 铸造铝合金的介绍铸造铝合金一直是航空、航天、军事和汽车工业中重要的结构材料；压力铸造以其尺寸精确、表面光洁、效率高等优点被广泛应用到铸造铝合金中目前我国压铸铝合金的抗拉强度普遍低于240 MPa(金属型浇注)，其综合力学性能较差，不能满足一些高强度结构件的要求，且硬度HBS低于90，导致铸件的加工性能也较差，此外，压铸件一般不能进行热处理强化基于以上原因，为进一步扩大铝合金压铸件的应用范围，一方面需要研究新的压铸技术，另一方面更迫切需要开发出性能优越、成分易于控制的高性能压铸铝合金以满足工业生产化学成分的选定是合金获得好的力学性能的基础；有效的熔体处理可同时获得高纯净度的熔体及理想的变质和晶粒细化效果笔者在ADCl2合金成分的基础上，通过成分设计和加入经优化配比后的混和稀土进行变质等熔体处理，开发出了一种新型高性能压铸铝合金ADCl21R，并在XJS280卧式冷室压铸机上进行了生产试验，其力学和机加工等性能均优于目前国内普遍使用的ZLl 12Y压铸合金2.2 ADCl21R 合金成分设计ADCl21 R合金成分以ADCl2合金成分为基础，为减少试验次数，合金中Si、Mn、Ti、Fe等元素的成分取为定值，从Mg和Cu组元对合金力学性能影响的角度，经多次试验后，确定ADCl21R合金最好的一组配方为A1SiCu(2)Mg(2)实验方法实验所用原材料分别为：997铝锭，结晶硅，9995镁锭，纯铜，A15Ti一3B中间合金，m一10RE(RE为混合稀土)中间合金，自制Al一20Fe中间合金，A110Mn中间合金，9995锌锭，无毒精炼剂和扒渣剂在150 kg的工业电炉内熔配ADCl21R合金，将合金液升温至750，加入A1一RE中间合金进行变质处理，充分搅拌，并在720。C温度进行精炼扒渣，随后静置降温至680以备压铸使用XJS280卧式冷室压铸机进行压铸生产试验，压射比压为30 MPa，压射速度为2 ms，模具温度为200250，浇注温度为680，压铸零件为摩托车汽缸盖用新配制的ZLll2Y合金熔化浇注相同的零件，在两种合金压铸零件的相同部位截取金相试样进行常规金相分析同时，采用金属型拉伸试样模分别浇注ZLll2Y和ADCl21R合金的金属型拉伸试样进行力学性能的测试和对比2.3 实验结果与分析1 . ADCl21 R与ZLl 12Y金相组织和力学性能比较图2-l和图2-2分别为ADCl21B合金和ZLll2Y合金压铸态金相组织，表2-1和表2-2为两种合金力学性能测试的结果图2-1 ADCl21R合金的压铸态金相组织图2-2 ZLl 12Y合金的压铸态金相组织表2-1 ADC12.1R 合金力学性能（重力浇铸）试样号b/MPa5/%HBS1234254.9254.9253.0256.83.203.202.802.50104.099.5106.098.9平均值254.92.93102.0表2-2 ZL112Y 合金力学性能（重力浇铸）试样号b/Mpa5/%HBS1234207.7202.0217.1220.91.831.331.501.3393.388.293.389.2平均值211.71.5091.0从以上实验结果中可以看到，合金的力学性能与共晶硅的形态、大小和分布存在很大的关系在ZLll2Y合金中，图2-2所示，共晶硅相呈现出粗大的针片状，这种针状硅相严重割裂基体组织，破坏基体组织的连续性，从而对合金材料的力学性能产生不良影响3在ADCl21R合金中，图2-1所示，因采用稀土变质处理，从根本上改变了铝硅合金中硅相的生长方式，使合金中的共晶硅相明显地向短杆状或粒状转变，大大减少了对合金性能的损害，这也促使了合金材料力学性能的提高2 . ADCl21R合金的压铸工艺性图2-3和图2-4分别为有浇注系统和已切除浇注系统的压铸件内外表面图2-3带浇注系统的摩托车汽缸盖压铸件图2-4切除浇注系统的摩托车汽缸盖头压铸件从压铸件的外观观察：1)合金液充型效果良好，压铸的铸件没有发现冷隔、裂纹、缩陷、欠铸及轮廓不清晰等缺陷，色泽均匀，无翘曲变形；2)合金的出型性好，压铸件的表面光洁，无粘附物痕迹，没有出现粘模拉伤的现象；3)内部质量较好，组织细小，均匀，断面上没有肉眼可见的缩松、缩孔及明显的夹渣3 . ADCl21R合金的机械加工性能加工试验表明，ADCl21R合金压铸的零件，其硬度比ZLll2Y高，没有明显的硬质点，加工过程没出现打刀现象，车屑较短，易断裂，加工表面光洁度及成品率均高于ZLll2Y生产的零件，合金的机械加工性能得到提高这主要是因为稀土不仅能细化共晶硅，而且也对打刀硬质点初生硅起到了抑制和细化作用，图2-4中初生硅相很明显，图2-3中没有初生硅相2.4 讨论1 . 稀土对初生硅的变质作用由于合金在液相存在成分起伏，所以在共晶或亚共晶mSi合金中出现过共晶初生硅是不足为奇的初生硅显微硬度H，=1 0001 300，接近Ot相的20倍，所以初生硅是造成铝合金铸件中硬质点现象的主要原因而在ADCl21R合金中加入RE变质后，在初生硅界面前沿合金液中，RE元素高度富集，在这些微区中，高浓度的RE能抑制的各向异性生长，使初生硅细化从而决定了ADCl21 R合金成形件优良的机加工性能2 .稀土对共晶硅的变质作用共晶硅片的生长具有惯习面及择优长大方向，共晶硅片表面具有一些无规则原子级台阶，这些层状原子级台阶与硅片基体间存在孪晶关系共晶硅片上的孪晶沟槽及共晶硅生长界面上的固有台阶可为硅原子的附着提供有利的位置，从而使硅晶体沿着方向迅速长大成片状共晶硅加人稀土变质后，稀土原子同硅晶体面上内在台阶相互作用，使被吸附的稀土原子产生孪晶，孪晶密度增加使硅的生长方式发生改变，阻碍了硅晶体沿面铺开长大，抑制了板片状硅的生长，从而使板片状si晶体变成分枝密集、而又相互交叉连接的纤维状共晶硅此外，又因稀土原子在硅铝相交界处、硅相分枝和转折的夹角等处富集，促使硅相产生缩颈和熔断，形成变质后合金中存在的短杆状和粒状共晶硅3 . 稀土对铝合金熔体的净化作用1)稀土的去气作用氢是铝铸件中产生针孑L的主要原因，能显著降低铝合金的强度稀土元素能与氢相互作用生成稳定稀土氢化物(REH：、REH，)，从而改变氢在铝液中的状态，降低铝液中游离氢的含量以La为例：La+2H一LaH2， （2-1）其焓变为K=一207 6256 Jmol， （2-2）其熵变为SK=一14863 JKm01 （2-3）在共晶点附近温度580，即853 K时，反应的自由能变为：G3 K=8KTA298 K=一80 84421 J0因此，从热力学上讲，稀土元素均可能在铝硅合金共晶温度时与熔体中的HI形成氢化物，而且氢化反应是放热反应，随温度下降，此反应更易进行，所以在液态铝中，加人稀土时，从理论上讲完全可以形成稳定的稀土氢化物，且随着温度下降，这种氢化物越来越稳定，从而达到固氢的作用2)稀土的除杂作用o在铝合金中的夹杂物主要是A120，它的存在不仅使合金的加工性能和机械性能降低，而且恶化铸造性能以h为例：4La+2A1203=4AI(s)+2La203(s)， （2-4）反应的自由能变可表示为：AG=一76 500+6813 T （2-5）当合金温度为720，即在993 K时其自由能变：C=一8 848 J0，因此，从热力学上讲，在标准状态下，稀土元素均能将AI：O，中的Al还原出来，使铝液中的AIO。夹杂物含量明显降低此外，稀土氧化物具有熔点高、比重大的特点，很容易进入熔渣中2.5 本章总结本章主要研究了压铸铝合金ADC12.1R的组织、性能及形成性。1)经过成分优化，采用混和稀土变质成功研制了一种高性能压铸铝合金ADCl21R。2)采用混合稀土对压铸铝合金进行变质处理，可使合金的组织得到明显的改善，初生硅被抑制和细化，共晶硅由针片状转变为短杆状和粒状，ADCl21 R合金铸态力学性能(重力浇注)达到：拉伸强度为2549 MPa、延伸率为2925、硬度(HBS)为102，其综合力学性能优于我国目前生产中常用压铸铝合金ZLll2Y3)通过合金材料实际零件的压铸生产试验表明，ADCl21R具有良好的压铸成形性、出型性及切削加工性能，能够满足工业生产应用的要求第3章 铸造铝合金缩孔形成理论3.1 铸造分类及特点铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一。铸造是获得零件毛坯的主要方法之一。与其它加工方法比较，铸造具有适应性广、生产成本低的优点,尤其在制造内腔复杂的构件时,更显其优越性。在机械产品中，铸件占有很大的比例，如机床中为 6080。但是铸造存在着铸件质量不稳定、尺寸精度 不高,工人劳动强度大,工作环境差等问题。铸造一般按造型方法来分类，习惯上分为普通砂型铸造和特种铸造。普通砂型铸造 包括湿砂型、干砂型、化学硬化砂型三类。特种铸造按造型材料的不同，又可分为两大类：一类以天然矿产砂石作为主要造型材料，如熔模铸造、壳型铸造、负压铸造、泥型 铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等；一类以金属作为主要铸型材料，如金属型铸造、离心铸造、连续铸造、压力铸造、低压铸造等。铸造工艺可分为三个基本部分，即铸造金属准备、铸型准备和铸件处理。铸造金属 是指铸造生产中用于浇注铸件的金属材料，它是以一种金属元素为主要成分，并加入其 他金属或非金属元素而组成的合金，习惯上称为铸造合金，主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金。3.2 铸造的缺陷铸造缺陷是造成废品的主要原因，是对铸件质量的严重威胁。 由于方方面面的原因，存在于铸件的缺陷五花八门，由于凝固成形时条件的差异，缺陷的种类表现为形态和表 现部位不尺相同。如液态金属的凝固收缩会形成缩孔、缩松；凝固期间元素在固相和液 相中的再分配会赞成偏析；冷却过程中热应力的集中会造成铸件裂纹和变形。应根据产 生的原因和出现的程度不同，采取相应措施加以控制，使之消除或降至最低程度。此外， 还有许多缺陷，如有夹杂物、气孔、冷隔等，出现在充填过程中，它们不仅与合金种类有关，而且还与具体成形工艺有关。总之，防止、消除和控制各类缺陷是一个不容忽视的关键问题。3.3 铝合金铸件缩孔形成机理缩孔形成的原因是由于金属液在冷却凝固过程中，液态收缩和凝固收缩得不到补充，在铸件最后凝固部位出现孔洞，容积大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。不同合金的凝固方式和收缩特点不同，形成缩孔的形态也不相同。缩孔形态还受冷却条件、凝固时外界压力的影响。如果铸件(含浇冒口系统)在下述条件下凝固就可能形成光滑壁缩孔 (1)散热条件好、凝固速度快；(2)外生(逐层)方式凝固；(3)顺序凝固；(4)最后凝固部位形成缩孔时与大气连通。如果铸件是在上述相反条件下凝固，就会 形成粗糙壁缩孔和分散性缩松。所谓光滑壁缩孔是热节部位的金属液在未形成树枝状结晶前，在重力或外界压力(大气压)作用下被迅速迁移补充到其它正在凝固收缩的部位，留下一个表面比较光滑的空腔。一些铸造工作者可能有过这样的经验，一个刚注满金属液的铸型， 因某种原因突然漏水(跑火)，而铸件已有部分凝固结壳，金属液流失后剩下的壳壁内表面一般是光滑的，这与上面所说的理想状态下凝固的冒口内形成光滑壁缩孔 有相似性缩孔形成时也会有伴生现象，即封闭在铸件内部的缩孔内会处于一定的真空 状态(P 孔内气压P 大气压)，如果缩孔与铸件表面之间存在不致密的缺陷(如缩松)，在 真空作用下，大气会通过这些不致密处被吸入，以平衡缩孔内的负压，使 P 孔内气压=大气压。有时为增强金属液的补缩能力有意把气体引入缩孔内，如大气压力冒口。这里要强调的是缩孔内如有气体，是被强行吸入的，是气体的“被动行为”，这一点对分析、区分缩孔与气孔是十分重要的。3.4 铝合金铸件中影响缩孔形成的因素1）合金凝固方式的影响凝固方式分为外生光滑界面（平滑壁）凝固、粗糙界面凝固、海绵状凝固、内生糊 状凝固和壳状凝固等五种方式。成海绵状和糊状凝固时，由于铸件外壳承载能力低，内 部金属补缩阻力大，易于形成缩松和缩凹缺陷；当呈光滑界面凝固时，铸件外壳为连续 的固体，承载能力高，且内部金属容易补缩，因而易于形成集中缩孔。2）铸件热流的大小和方向当呈光滑界面凝固时热流对铸件缩孔形成影响。单向散热时，只出现外形体积减小，铸件顶面降低；热流向下及侧面散出时，除外形缩小外，顶部形成集中缩孔。若出现其他凝固方式，则缺陷形式会随之变化， 变为多向散热时形成内部缩孔及外形体积缩小 。3.5 原始状态铸件性能与挤压铸造性能对比课题研究之前，做了一次厂家原材料原始状态铸件（而非挤压铸造）的性能测试。实验内容大概如下：实验名称：ADC12原材料拉伸试验 材质：ADC12为测试铸件的力学性能，试样从吉星机械工程有限公司铝业生产的铸液中取样，沿横向依次取样并编号。具体试样及编号见图3-1。图3-1试样模型 图3-2器材实物图图3-4断裂试样图3-3 器材实物图将取得的试样毛坯由车床按加工图纸加工成标准试件，测量出标距和直径（取上中下三次平均值）。用万能试验机进行拉伸试验，为了检测ADC12铝合金的力学性能，应使试件受拉伸直至断裂，在拉伸过程和拉伸结束后可得到材料力学性能指标。测量了l1，按下式计算延伸率，即：。圆形试样在缩颈最小处两个相互垂直方向上测量其直径，用二者的算术平均值作为断口直径d1，来计算A1。断面收缩率按下式计算：。试件的强度载荷、延伸率和断面收缩率结果如下表3-1：表3-1 试验数据d0（mm）l0(mm)d1（mm）l1(mm)（%）（%）FS(kN)件1#10.199.509.18100.120.62%4.36%12.6件2#10.2100.009.20101.161.16%4.24%13.2件3#10.14100.909.28101.931.02%4.12%13.8d0，l0 分别为实验前的截面直径和标距长度，d1，l1 分别为试验后的截面直径和标距长度。是延伸率，是断面收缩率。FS为强度载荷值。强度值（这是原始材料铸件的强度值），当用挤压铸造工艺后的强度值，是铸造工艺的3.02倍。由此可见挤压铸造工艺对ADC12铝合金的力学性能的提高起到了显著地作用。而吉星公司正是采用了这种挤压铸造的工艺进行加工汽车的零部件。3.6 本章小结本章简单介绍了ADC12铝合金的组织、性能和形成性，对压铸过程中的力学特点进行了简要分析。同时本章还对ADCl21 R与ZLl 12Y金相组织和力学性能比较，并且分析了ADCl21R合金的机械加工性能，得到了影响金属变质和净化的一些因素，为力学理论分析奠定了初步基础。另外，通过分析影响金属变形的因素，明确了大的研究方向是边缘位置的应力和应变。并且通过和原始材料铸件的比较得出了通过挤压铸造工艺加工的零部件力学性能更好。为下一步的显示动力学有限元分析提供了相关依据。第4章 有限元法与ANSYS4.1 有限元分析方法概述有限元法是一种离散化的数值解法,是用于求解各类实际工程问题的方法。应力分析中稳态的、瞬态的、线性的、非线性的问题及热力学、流体力学、电磁学以及高速冲击动力学问题都可以通过有限元法得到解决。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。20 世纪 60 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz 法分片函数”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的 RayleighRitz 法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。4.2 有限元分析的基本思想有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本思想是用较为简单的问题代替比较复杂的问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互联子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所替代。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元法不仅计算精度高，而且能适应各种复杂情况，因而有限元分析成为行之有效的工程分析手段。有限元法的基本思想可归结为两个方面，一是离散，二是分片插值。离散就是将一个连续的求解域人为地划分为一定数量的单元，单元又称网格，单元之的连接点称为节点，单元间的相互作用只能通过节点传递，通过离散，一个连续体便分割为由有限数量单元组成的组合体。离散的目的就是将原来具有无限自由度的连续变量微分方程和边界转换条件转换为只包含有限个节点变量的代数方程组，以利于用计算机求解。 有限元法的离散思想借鉴于差分法，但做了适当改进。首先，差分法是对计算对象的微分方程和边界条件进行离散，而有限元法是对计算对象的物理模型本身进行离散，即使该物理模型的微分方程尚不能列出，但离散过程依然能够进行。其次，有限元法的单元形状并不限于规则网格，各个单元的形状和大小也并不要求一样，因此在处理具有复杂几何形状和边界条件以及在处理具有像应力集中这样的局部特性时，有限元法的适应性更强，离散精度更高。 变分法是在整个求解域用一个统一的试探函数逼近真实函数，当真实函数性态在求解域内趋于一致时，这种处理是合理的。但如果真实函数的性态很复杂，再用统一的试探函数就很难得到较高的逼近精度，或者说要得到较高的精度就需要阶次很高的试探函数。同时由于不能在求解域的不同部位对试探函数提出不同的精度要求，往往由于局部精度的要求问题的求解很困难。所以这类方法一般用于求解函数交规则和边界条件较简单的问题。 分片插值的思想是有限元法与里兹法的一个重要区别，它是针对每一个单元选择试探函数（也称插值函数），积分计算也是在单元内完成。由于单元形状简单，所以容易满足边界条件，且用低阶多项式就可获得整个区域的适当精度。对于整个求解域而言，只要试探函数满足一定条件，当单元尺寸缩小时，有限元就能收敛于实际的精确解。 从以上分析可知，有限元法是差分法的一种发展，又可以看成是里兹法的一种新形式。它兼顾了两者的优点，同时克服了各自的不足，因而具有更大的优越性和实用性。4.3 ANSYS的主要功能ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，目前，有限元法从它最初应用的固体力学领域，已经推广到温度场、流体场、电磁场、声场等其他连续介质领域。在固体力学领域，有限元法不仅可以用于线性静力分析，也可以用于动态分析，还可以用于非线性、热应力、接触、蠕变、断裂、加工模拟、碰撞模拟等特殊问题的研究。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。ANSYS的前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。分析计算模块分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了200种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。4.4 ANSYS提供的分析类型 ANSYS软件提供的分析类型如下：结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。动力学分析结构动力学分析研究结构在动载荷作用的响应（如位移、应力、加速度等得时间历程），以确定结构的承载能力的动力特性等。ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。电磁场分析主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。流体动力学分析ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。声场分析ANSYS把声学归为流体，程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布 ，或预测水对振动船体的阻尼效应。压电分析压电效应分析是一种结构电场耦合分析，给压电材料加电压会产生位移，反之使压电材料振动则产生电压，一个典型的压电分析的应用是压力换能器。ANSYS压电分析用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。下图为本文研究的零件实物图：图4-1 差速器支架实物图 图4-2发动机悬置隔垫实物图4.5 本章总结相对于其他应用型软件而言，ANSYS作为大型权威性的有限元分析软件，对提高解决问题的能力是一个全面的锻炼过程，是一门相当难学的软件，因而，要学好ANSYS，对学习者就提出了很高的要求，一方面，需要学习者有比较扎实的力学理论基础，对ANSYS分析结果能有个比较准确的预测和判断，可以说，理论水平的高低在很大程度上决定了ANSYS使用水平；另一方面，需要学习者不断摸索出软件的使用经验不断总结以提高解决问题的效率。作为工程力学专业的学生，虽然力学理论知识学了很多，但对许多基本概念的理解许多人基本上是只停留于一个符号的认识上，理论认识不够，更没有太多的感性认识。所以在这种情况下，复习一下材料力学，弹性力学和塑性力学是非常有必要的，加深对基本概念的理解，实际上，适当的复习并不要花很多时间，效果却很明显，不仅能勾起遥远的回忆，加深理解，又能使遇到的问题得到顺利的解决。第5章 丰田422aRAV4差速器支架及发动机悬置隔垫有限元分析5.1