基于计算机仿真的缩孔缺陷对轮毂机械性能影响研究_张聚涛.pdf

64 材料：实验与研究信息记录材料 2022年12月 第23卷第12期 0 引言轮毂铸件是汽车的关键部件，必须能够长久地抵抗粗糙的路面和严酷的环境1。为了确保铝合金轮毂能够长期服役，考虑其服役中不同的疲劳特性，一些轮毂测试如冲击测试等早已开始应用。设计测试重新设计过程提高了轮毂设计的工作成本2。在现代工业中，计算机模拟分析是一个缩短研发周期的方法，以往研究中虽然运用计算机模拟研究轮毂机械性能的研究较多，但大多忽略了缩孔缺陷对轮毂机械性能的影响3-4。如图 1 所示，缩孔缺陷很容易在铸造过程中产生。缩孔缺陷对轮毂铸件的机械性能有很大影响，但当前对缩孔对轮毂铸件的定量作用的研究不够完善，对其缺陷及与机械性能的关系也未阐述清楚，导致在设计过程中，工程师经常不考虑轮毂铸件的缩孔缺陷。这并不能满足如今的铸造轻量化需求，因此有必要寻找一个研究缩孔缺陷影响的方法。本研究建立了缩孔缺陷对铸件机械性能的影响关系，分析了缩孔缺陷对轮毂冲击测试的作用。图 1 缩孔缺陷示意图1 缩孔模型本文采用三个建模方法对于缩孔的建模与结构进行分析。直接塑造法（DSM）、材料性能还原法（MPRM）和形貌简化法（SSM）。DSM 直接从铸件缩孔原始形貌中生成有限元网格5。MPRM的理论为：假设孔隙之间没有相互作用，材料弹性模量在最低的孔隙率范围，能够通过线性关系进行描述。SSM 模型建模缩孔对空心球体作用，它是最小的球体装入缩孔的STL格式，且反映出缩孔的应力集中作用，因此，本文采用 SSM 研究轮毂缩孔缺陷的机械性能。2 数值模拟2.1 动态应变集中系数应变集中系数广泛应用于评估应变梯度在一个对象中的作用。为了冲击模拟，本文引入动态应变集中系数DSCF。动态应变集中系数定义如下：（1）其中 是一个时间 t 的函数，max和 nom分别为最大应变和名义应变。在一个对象具有如图 2 所示球体缩孔的情况下且在静态载荷下，分析值 K（t）可以评估为 2.05。通过图2中的参考数据以及按照D.R.Weaver s5的结论，本文采用 2.05 作为分析值，研究结果的收敛取决于单元类型和尺寸。图 2 应力集中系数基于计算机仿真的缩孔缺陷对轮毂机械性能影响研究张聚涛1，王德祥2（1 唐山学院 河北 唐山 063000）（2 王氏实业集团 有限公司 河北 唐山 063000）【摘要】缩孔会使铸造部件的机械性能变差，因此设计工程师在生产设计时不得不选择过大的安全系数，但这不利于轻量化设计。本文首先对具有较多缩孔和非常少缩孔的铝合金轮毂进行计算分析和冲击试验，并提出使用工业 CT 扫描缩孔缺陷的方法以及使用 SSM 建模的手段。本文通过对铸铝轮毂的冲击测试分析，结果表明：缩孔位于高应变区域比在低应变区域对轮毂的机械性能影响更大。【关键词】缩孔缺陷；铝合金轮毂；机械性能；计算机仿真【中图分类号】TP39 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2022）12-0064-04DOI:10.16009/13-1295/tq.2022.12.027 65材料：实验与研究信息记录材料 2022年12月 第23卷第12期 2.2 单元类型选择和单元尺寸确定为了研究冲击模拟的收敛和准确性，基准分析使用了具有球体缩孔在中心的矩形条，图 3 给出了棒的对称半模型和数值模拟条件。冲击模拟结果对单元类型和尺寸非常敏感。为了确保准确性，在冲击模拟中实体单元通常优先于四面体单元，但它在真实的具有复杂形貌的铸件产品中难以产生网格6-7。由于四面体单元更具有普遍适用性，因此在本研究中采用四面体单元。试验中选取三个冲击模拟试验，元素尺寸从模拟1到模拟3在缩孔表面越来越细。单元尺寸定义为简化缩孔的半径 r。从模拟 1 到模拟 3，如图 4 所示。随着网格逐渐细化，通过 FEM 获得的 DSCF逐渐收敛于分析解，计算成本恰好收敛于 2.05。细的网格不仅仅应用在缩孔的表面还应用于缩孔周围。考虑到网格的工作效率，对于在缩孔表面本文推荐一阶四面体单元尺寸为 0.125。图 3 简单的棒状纤维模型图 4 元素尺寸与真应变关系3 计算机仿真测试3.1 轮毂冲击测试图 5 所示为轮毂冲击测试机器。它包含 480 kg 摆锤，接触表面尺寸为 375 mm125 mm。轮毂安装在与水平面倾斜 13角上，所以它的最高点垂直于冲击作用前锋，摆锤下落高度为 230 mm，这高于轮辋凸缘的最高部分。在本研究中，冲击模拟对于轮毂依据 SAE J175-Wheels-Impact Test Procedures-Road Vehicles。模型和设置在冲击模拟中如图 6 所示，分析包括两个情况：考虑缩孔缺陷和不考虑缩孔缺陷。图 5 冲击载荷控制机器3.2 建模和条件图 6 所示为轮毂和摆锤的模型。摆锤的质量是D=0.6W+180 480 kg （2）图 6 模拟的模型设置其中 W 是最大静态轮毂负载轮毂或者汽车制造者指定，单位为 kg。摆锤初始速率：（3）其中 g 是重力加速度，h 是摆锤下落高度。图 7 为试验机冲击过程中利用光电编码器每隔 8 ms 所采集的冲锤位移数据，通过 PLC 传输后得出速度、时间之间的关系图。冲击过程中实际速度与 V0有所偏差，约为2.074 m/s。这主要是由于形体轮与导轨间所具有的摩擦阻66 材料：实验与研究信息记录材料 2022年12月 第23卷第12期 力以及电磁化后的锤体与电磁体之间的相互作用力所导致的，另外末端速度的测量过程中也存在误差。图 7 速度时间曲线图 8 描述了从工业 CT 获得缩孔数据和建模具有简化形貌的缺陷的过程。这个工作主要过程包括两步：第一步是通过 CT 获得立体像素信息，第二步是还原成 STL。图 8 通过 CT 获取和建模收缩数据因为 STL 文件是极其细小的，所以它不易从 STL 文件产生网格直接获得自工业 CT 且不使用任何修正网格生成的工具。因此，原始的 CT-TSL 格式模型应该加工成满足产生网格的需求。为了做到这一点，本研究使用了一个特定的 ImageWareTM 程序。最终通过 CAD 格式，缩孔模型简化为椭圆体模型。如图 8 所示，一个是（缩孔 A）接近于轮辐和轮辋的相互作用区，另一个是（缩孔 B）接近于轮辐和轮毂的相互作用区。4 结果与讨论模拟结果表明，最大应变发生在 0.000 87 s 即摆锤接触到轮毂后。这是轮毂冲击试验的临界时间点，所有接下来的结果都集中于这个时间点8-9。轮毂变形或断裂在于摆锤前锋相接触的轮辋断面在 SAE J175 中不构成失效，所以本文只对摆锤接触面以外的区域进行了研究。如图 9所示，无缩孔缺陷的条件下，轮毂被认为能够通过冲击测试。图 10 所示为在有缩孔缺陷条件下的等效塑性应变等高线。对于缩孔缺陷 A，最大主弹性应变在孔表面小于0.001 m 处且没有塑性变形发生。然而对于缩孔 B，最大等效塑性应变（0.077）出现于孔表面超过了 0.059 m 处，所以轮毂被认为可能从缩孔 B 断裂。在真实的测试依靠计算分析很难预计是否会发生断裂，如果将缩孔缺陷考虑进去，就能够大大提高轮毂机械可靠性。工程师在工作过程中可以通过考虑缩孔的生成从而对轮毂工艺制定起到指导作用。图 9 等效塑性应变图（无缩孔影响）图 10 等效塑性应变图（缩孔影响）5 结论综上所述，本文研究了缩孔缺陷对于铸件承受实际冲击载荷表现的作用。文中提出了在铸件中考虑缩孔缺陷冲击模拟的技术方法，通过使用工业 CT 扫描缩孔缺陷的方法以及 SSM 建模的手段。并且对铸铝轮毂冲击测试进行了分析，结果表明：缩孔位于高应变区域比在低应变区域可能更加有害。本文提出的方法可以反映应变集中作用和改善模拟精确度。【参考文献】1 王立伟，王乐，赵桓祯.轿车铝合金轮毂力学性能有限元分 67材料：实验与研究信息记录材料 2022年12月 第23卷第12期 析 J.机电工程技术，2022，51(6):131-133，184.2 陈哲明，陶军，庄威洋，等.改进单神经元网络 PID 算法下的车用轮毂电机控制系统仿真 J.重庆理工大学学报(自然科学)，2022，36(5):13-19.3 梁天，董绍江，朱孙科，等.质量放大系数对三代轮毂轴承旋压铆合仿真的影响 J.机床与液压，2022，50(4):115-119.4 高庆福，吴鹏州，李光，等.抗低温碎石冲击性能良好的汽车铝轮毂底粉粉末涂料的研制 J.现代涂料与涂装，2021，24(5):1-4.5 兰青，刘俊.轮毂锻造液压机垫板隔热保温结构优化 J.机械设计，2020，37(S1):223-225.6张丽娟.A356.2低压铸造铝合金轮毂缩松分析及改善措施J.内燃机与配件，2020(4):86-87.7ZHU Y Y,YANG C T,YUE Y,et al.Design and optimisation of an In-wheel switched reluctance motor for electric vehiclesJ.IET Intell Transp Syst,2019,13(1):175-182.8 白飞，李国东，王琼雅.固溶时效工艺对 A356 铝合金轮毂组织与性能的影响 J.内燃机与配件，2018(9):32-33.9FEMANDEZ M,RODRIGUEZ C,BELZUNCE F J,et al.Use of small punch test to estimate the mechanical properties of sintered products and application to synchronizer hubsJ.Met Powder Rep,2017,72(5):355-360.作者简介：张聚涛（1980），男，河北高邑，硕士，实验师，研究方向：机械设计。图 11 飞秒激光加工的微流道4 结论本文主要研究了飞秒激光的加工参数（脉冲个数、激光功率）对PMMA微流控微孔和微流道的影响。在本实验中，一定条件下，随着脉冲个数和激光功率的增加，微孔直径、深度都呈现上升的趋势，得出的最优参数组合是：脉冲数3 000 个、激光功率 162 mW，直径最大是 168 m，深度最大是 160 m。另外，初步完成了微流道的加工，实验加工参数：扫描速度为 1 000 mm/s、激光功率 32 162 mW，获得了直径小、深度大、孔形圆度规整且形貌特征较好的微流道。本实验提供了最佳飞秒激光加工参数（脉冲个数、激光功率），为使用飞秒激光加工微流控芯片提供理论参考和实际指导。【参考文献】1CHEN Y,ZHANG L Y,CHEN G.Fabrication,modification,and application of poly(methyl methacrylate)microfluidic chipsJ.Electrophoresis,2008,29(9):1801-1814.2 曹凤国.激光加工 M.北京:化学工业出版社，2015：1.3 史杨，许兵，吴东，等.飞秒激光直写技术制备功能化微流控芯片研究进展 J.中国激光，2019，46(10):9-28.4FU L M,TSAI C H,LIN C H.A high-discernment microflow cytometer with microweir structureJ.Electrophoresis,2008,29(9):1874-1880.5林炳承，秦建华.微流控芯片实验室M.北京:科学出版社，2006:1.6 任春艳，于曙光，马圆圆，等.微流控芯片应用的科技创新性实验 J.实验室科学，2022，25(1):7-10，14.7 冯波，程正学，陈华，等.Q33 微流控芯片制作中的激光技术 J.激光杂志，2006，27(2):11-13.8 李安一，吕雪飞，邓玉林，等.基于微流控芯片的核酸提取技术研究进展 J.分析试验室，2021，40(7):761-771.9HASHIDA M,MISHIMA H,TOKITA S,et al.Non-therma