FLOW-3D 在奧托立夫中國區方向盤產品開發中的應用研究
FLOW-3D 在奧托立夫中國區方向盤產品開發中的應用研究

 

FLOW-3D 在奧托立夫中國區方向盤產品開發中的應用研究

奧托立夫(上海)汽車安全系統研發有限公司

李艷華,王岐燕,劉強

摘要:

高壓壓鑄模型的合理性是壓鑄缺陷預測的關鍵,而熱傳導和固化行為是壓鑄過程中影響流動的重要因素。然而通過多組項目的實際對比分析研究,原始仿真模型中,均一的熱傳導系數和缺省的固化阻力使得仿真結果與試驗結果不符。

本文擬通過 FLOW-3D 仿真和試驗的短射形狀進行核對,通過多次調整熱傳導系數和缺省的固化阻力,獲得AM50A材料的熱傳導與固化阻力的優化值。然后,將此優化值應用于另一個項目的零件上,驗證了優化值的合理性。此外,采用優化后的模型預測孔洞的分布,與X-RAY 射線檢測的分布非常一致。本文優化的高壓壓鑄模型,可為高壓壓鑄模型的合理性檢測提供借鑒。

關鍵字:高壓壓鑄; FLOW-3D ; 短射實驗; 方向盤骨架

奧托立夫(上海)汽車安全系統研發有限公司     李艷華,王岐燕,劉強

 

1. 研究背景

    高壓壓力鑄造(High Pressure Die Casting)的實質是在高壓作用下,使液態或半液態金屬以較高的速度充填壓鑄型(壓鑄模具)型腔,并在壓力下成型和凝固而獲得鑄件的方法,如圖1所示。與其它鑄造方法相比,壓鑄有以下三方面優點:產品質量好、生產效率高、經濟效果優良。

 

圖1 高壓鑄造仿真

 

 方向盤骨架一般由鋁鎂合金鑄造而成,如圖2所示,材料為AM50A或者是AM60B,這種材料制成的骨架具有輕量化、高強度和高韌性的性能。但高壓鑄造的過程中,鋁鎂合金容易產生氧化物和卷氣,導致骨架強度的性能下降。因此,降低氧化物和卷氣缺陷是目前高壓壓鑄生產過程中的迫切要求。

 流體仿真可以在計算機上模擬高壓壓鑄的全部過程,能夠提前預測金屬在模具型腔中的流動行為、溫度分布、氧化物分布濃度、卷氣等等,在模具修改之前就能找出優化的方案,降低試模成本和開發周期。

 

圖2 某方向盤骨架

 

FLOW-3D 是由美國國家實驗室于1980年所開發,至今發展超過30年,一直專注于自由液面流體模擬,廣泛運用于 鑄造,水利環工,海洋離岸工程,海洋排放,核電,涂層,滲透,電焊,焊錫,艙體搖晃,噴墨,微流體,多相流,非線性波浪,流固耦合等等真實三維仿真模擬。

在方向盤高壓壓鑄的模擬中,高壓壓鑄模型的合理性是壓鑄缺陷預測的關鍵,而熱傳導和固化行為是壓鑄過程中影響流動的重要因素,這里我們采用短射方案進行核對。短射仿真與實驗對比如圖3所示,短射實驗中流體前沿會停止在某個位置,而仿真結果卻是流體到處流動,與實驗事實相悖。通過多組項目的實際對比分析研究,原始仿真模型中,均一的熱傳導系數和缺省的固化阻力使得仿真結果與試驗結果不符。

 

圖3 某方向盤短射仿真結果與實驗的對比

 

為了提高高壓壓鑄模擬的精確度,改善產品缺陷預測水平,本文擬通過 FLOW-3D 仿真和試驗的短射形狀進行核對,通過多次調整熱傳導系數和缺省的固化阻力,獲得AM50A材料的熱傳導與固化阻力的優化值。然后,將此優化值應用于另一個項目的零件上,驗證了優化值的合理性。此外,采用優化后的模型預測孔洞的分布,與X-RAY 射線檢測的分布非常一致。

 

2. 方向盤骨架項目A的仿真參數對標

材料:AM50A

熔料溫度:680 攝氏度

滿射行程:543 mm

短射行程:410mm、440mm

固化模型調整:TSDRG (圖4)

 

圖4 固化模型

 

圖5      410mm和440mm 短射實驗結果

 

圖6      410mm和440mm 短射仿真與實驗結果對比

 

圖7    410mm和440mm 短射孔洞仿真與X-RAY實驗的結果對比

 

通過優化調整模型的固化參數和熱傳導設置,我們得到了短射形狀一致的結果(410mm和440mm),如圖5與6所示。此外,還通過X-RAY射線實驗驗證了孔洞分布預測的準確性,說明此模型的合理性。下面我們將用另外一個項目來進一步佐證模型。

 

3.項目A仿真優化參數在項目B上的驗證

材料:AM50A

熔料溫度:680 攝氏度

滿射行程:543 mm

短射行程:400mm、420mm

 

(a) 400 mm

(b) 420mm

圖8      400mm和420mm 短射實驗結果

 

圖9   400mm和420mm 短射仿真與實驗結果對比

 

4. 結論

本文調整了壓鑄模型中的固化和熱傳導設置,通過 FLOW-3D 仿真和試驗的短射形狀進行核對來獲得優化的壓鑄模型,并用另外一個項目來進一步佐證此模型。FLOW-3D 軟件是一種通用流體仿真軟件,FLOW-3D CAST 則是特為鑄造行業而開發的鑄造仿真軟件。適用于鑄造壓鑄的模型則更加地接近壓鑄生產,更為準確度為我們提供良好的缺陷預測。

 

 

Investigation on Application of FLOW-3D in the armature development of Autoliv China

Autoliv China Technical Center

Yanhua Li,Qiyan Wang,Qiang Liu

ABSTRACT:

Modelling reasonability of HPDC is the key in prediction of defect. Heat transfer coefficient and solidification are two important factors which affect fluid flow pattern. However, during our simulation works of many comparison results, the previous model define a constant HTC and default solidification parameter and make little correlation between test and CAE results.

 

In this paper, we use short shot test and simulation of one project to correlate die casting model by tuning HTC and solidification parameter. Then, these optimized parameters are used in another project armature to validate the accuracy of these parameters. In addition, we compared hole distribution between CAE and X-Ray tests, they have very similar results. This investigation can be used for model improvement and validation of high pressure die casting simulation.

Keywords:High pressure die casting;  FLOW-3D ; Short shot test; Steer wheel armature

 

 

第一作者簡介:

李艷華 博士 男  高級工程師

學歷 / 經歷:

  • 同濟大學 機械工程博士
  • 奧托立夫(中國)仿真,高級工程師

技術 / 專長:

  • 塑料高分子注塑工藝仿真及缺陷解決        Moldex3D
  • 鋁鎂合金高壓鑄造仿真及缺陷解決                Flow3D
  • 考慮制造過程的聯合強度仿真  DIGIMAT-RP   DYNA
  • 沖壓成形仿真及缺陷解決                DYNA/Autoform
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