何智邦

（黃河鑫業(yè)有限公司，青海 西寧 810000）

在社會(huì)生產(chǎn)生活都依賴于各種機(jī)械設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行情況下，金屬零部件的腐蝕問(wèn)題成為生產(chǎn)生活的巨大安全隱患。未經(jīng)過(guò)防銹處理的金屬零部件可能因?yàn)榻佑|空氣和水分而發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，金屬零部件的防銹能力不僅決定著機(jī)械設(shè)備的性能和生產(chǎn)效率，甚至可能影響著操作設(shè)備人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。在這種情況下，相對(duì)不容易被腐蝕的鋁合金材料，以其抗高溫、耐壓、耐腐蝕等在惡劣環(huán)境下維持穩(wěn)定性能的特性得到了越來(lái)越廣泛的運(yùn)用[1]。

目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力機(jī)械中使用的活塞都屬于鋁合金材質(zhì)，而這種鋁合金活塞的鑄造通常采用低壓鑄造工藝，這種工藝技術(shù)具有極強(qiáng)實(shí)用性，能夠制造出質(zhì)量?jī)?yōu)良、組織致密、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度強(qiáng)的活塞部件，相比傳統(tǒng)工藝而言不僅提高了生產(chǎn)質(zhì)量，也提高了生產(chǎn)效率，具有明顯優(yōu)勢(shì)[2]。但這種工藝在運(yùn)用在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中也存在一定缺陷，可能導(dǎo)致鑄件縮孔等問(wèn)題的出現(xiàn)，而使用計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元計(jì)算軟件對(duì)鑄件鑄造過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬能有效對(duì)鑄造工藝的實(shí)施進(jìn)行改善。因此對(duì)鋁合金活塞鑄造過(guò)程中低壓鑄造工藝的有限元模擬進(jìn)行研究具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 低壓鑄造工藝的有限元模擬方法設(shè)計(jì)

（1）建立鋁合金活塞幾何模型。本文使用ANSYS軟件進(jìn)行有限元模擬方法設(shè)計(jì)，這一軟件具有建模功能，因此可以用其自身建模模塊直接建立鋁合金活塞的幾何模型。但是這一方法相對(duì)復(fù)雜，其自帶的建模模塊在應(yīng)對(duì)非對(duì)稱形狀的部件時(shí)，需要輸入所有關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值才能完成模型構(gòu)建，因此這一方法相對(duì)效率較低。本文采用的幾何模型建立方法是直接將CAD軟件中的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入ANSYS軟件。ANSYS軟件具有極強(qiáng)適應(yīng)性，能夠與CAD軟件完成數(shù)據(jù)和圖形傳輸，使用ANSYS軟件讀取CAD傳送的圖形文件，不僅能提高建模效率，還能有效減小建模誤差，提高模擬過(guò)程的精確度。

（2）有限元模型轉(zhuǎn)化。對(duì)建立的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用有限元法，用多邊形網(wǎng)格離散復(fù)雜形狀的邊界，保證劃分之后的微元邊界盡可能接近原始區(qū)域的邊界。為提高精確度的同時(shí)提高工作效率，可以使用密集的網(wǎng)格劃分部件靠近壁面的部分，使用稀疏粗大的網(wǎng)格處理遠(yuǎn)離部件壁面的區(qū)域。本文采用如上方法對(duì)建立的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用較小的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行劃分，從而建立起有限元模型。

（3）模擬參數(shù)。通常情況下活塞所使用材質(zhì)多為A356鋁合金，這種材料的物理性能如表1所示。

表1 鋁合金物理性能

ANSYS軟件會(huì)提供系統(tǒng)自帶的熱交換系數(shù)和活塞材料參數(shù)，對(duì)進(jìn)行低壓鑄造時(shí)需要模擬的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，模擬從活塞鑄造模型底部注入鋁液時(shí)需要設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)值如表2所示。

表2 模擬參數(shù)設(shè)置

增壓時(shí)間(s) 8增壓壓力(Pa) 8.5*104保壓時(shí)間(s) 260保壓壓力(Pa) 8.5*104卸壓時(shí)間(s) 50卸壓壓力(Pa) 0充型速度(Pa/s-1) 1*103凝固時(shí)間(s) 330

通過(guò)建立鋁合金活塞的幾何模型，運(yùn)用網(wǎng)格劃分將幾何模型轉(zhuǎn)化成有限元模型，設(shè)置相關(guān)低壓鑄造參數(shù)，在軟件中進(jìn)行低壓鑄造工藝的有限元模擬。完成有限元模擬方法設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)論證

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

為研究本文設(shè)計(jì)的鋁合金活塞鑄造中的低壓鑄造工藝的有限元模擬方法在實(shí)際模擬過(guò)程中的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選取一組鋁合金活塞部件，記錄其真實(shí)鑄造數(shù)據(jù)，分別使用本文設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)方法對(duì)鋁合金活塞的低壓鑄造過(guò)程進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，繪制實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

在使用本文方法進(jìn)行模擬時(shí)，其準(zhǔn)確度一直高于傳統(tǒng)方法，在使用本文方法進(jìn)行低壓鑄造工藝的有限元模擬時(shí)準(zhǔn)確度一直維持在80%～10%之間，具有極高的準(zhǔn)確性，且無(wú)論活塞鑄造復(fù)雜程度變化情況都能維持穩(wěn)定的運(yùn)行狀況。而使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)時(shí)其準(zhǔn)確度從20%～80%產(chǎn)生了較大波動(dòng)，雖然在活塞的鑄造過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單時(shí)能夠維持相對(duì)高的準(zhǔn)確度，但是隨著活塞鑄造復(fù)雜程度的增加，這一方法的準(zhǔn)確度逐漸下降。通過(guò)上述結(jié)論可以得知本文設(shè)計(jì)有限元模擬方法相比傳統(tǒng)模擬方法而言具有明顯優(yōu)勢(shì)，能提高40%的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，推廣使用這一模擬方法具有深遠(yuǎn)現(xiàn)實(shí)意義。

3 結(jié)語(yǔ)

本文使用ANSYS軟件完成了對(duì)低壓鑄造工藝的有限元模擬方法的設(shè)計(jì)，首先建立鋁合金活塞的幾何模型，然后運(yùn)用網(wǎng)格劃分將幾何模型轉(zhuǎn)化成有限元模型，最后設(shè)置相關(guān)低壓鑄造參數(shù)在軟件中進(jìn)行模擬。希望本文的研究能夠?yàn)殇X合金活塞鑄造過(guò)程中低壓鑄造工藝的有限元模擬研究提供理論依據(jù)。