圖1 汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標

Porsche汽車應用FLOW-3D優(yōu)化鑄件設計及工藝條件
應用軟件：FLOW-3D CAST

一、前言

汽車產(chǎn)業(yè)正朝向于發(fā)展電動汽車、更安全、更舒適、更酷炫的外型、更高性能的車子，但因為這些因素可能使汽車的重量加重，造成更多溫室氣體的排放，對環(huán)境形成破壞，又因各國目前針對環(huán)境都有訂定相關法規(guī)，讓汽車業(yè)者不得不思考要如何在輕量化的情況下完成上述的幾項發(fā)展，所以輕量化結(jié)構(gòu)是未來的關鍵技術。

Porsche汽車針對輕量化的技術提出了一體化鑄件的方式來改善汽車結(jié)構(gòu)與重量，其優(yōu)點上有高承重設計、高結(jié)構(gòu)強度、高集成潛力（降低成本）、近凈形生產(chǎn)（壓鑄）、及輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的巨大潛力，但卻也須面臨其他衍生的挑戰(zhàn)，如：鑄件以剛性為主會造成伸長率降低，不能在車輛直接碰撞區(qū)域使用、非常復雜的設計和開發(fā)過程及鑄造工藝參數(shù)的不確定性，故本文將研究針對在短時間內(nèi)開發(fā)復雜鑄件的方法進行探討。

圖2 一體化鑄件

二、研究方法

考慮到設計和生產(chǎn)技術的工藝條件，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高鑄造零件的產(chǎn)品質(zhì)量，因為結(jié)構(gòu)力學和生產(chǎn)技術相互影響，在結(jié)構(gòu)中鑄件開發(fā)過程使用拓撲和形狀優(yōu)化，并提出有建設性的工藝條件，來將鑄件結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及優(yōu)化目標和優(yōu)化策略的推導，例如：鑄件的鑄造模擬以確定合適的方案和參數(shù)以及優(yōu)化目標的形成（缺陷：氣蝕、孔隙率......）、使用仿真軟件來計算結(jié)構(gòu)-機械（有限元網(wǎng)格）和鑄造參數(shù)，以彈簧支柱安裝為例，鑄件目標為滿足鑄件的剛度和工作負載的要求以盡可能低的重量獲得較好的可鑄性、在鑄件品質(zhì)中取決于鑄件的填充和凝固、缺陷和結(jié)構(gòu)力學取決于幾何形狀、減少缺陷提高鑄件質(zhì)量、集成鑄造仿真開發(fā)及壓鑄過程的技術影響。

本文選用的鑄件為Panamera G1 的車殼，在幾何中有星型筋及單一的筋條，整體形狀較為復雜，考慮到鑄件的幾何復雜有其他變量不利進行研究，所以會先使用基礎模型(如圖3)進行參數(shù)研究，通過表1進行質(zhì)量判定，評估結(jié)構(gòu)強度及鑄件質(zhì)量后，整理出一系列的相關流程后(如圖4)，再使用Panamera G1 的車殼來探討(如圖5)。

圖3 基礎模型參數(shù)

表1 鑄件品質(zhì)判斷

圖4 研究流程圖

圖5 Panamera G1 的車殼

三、分析設置

通過前章節(jié)的流程進行基礎模型的研究(如圖6)，將零件通過應力分析軟件計算出機械性能并分區(qū)檢視筋的效應整理出規(guī)則，應用于實際零件中，再繪制流道及渣包完成鑄件本體，后續(xù)通過FLOW-3D進行充型及凝固的模擬，通過卷氣、氧化物、縮孔…等缺陷判斷來進行優(yōu)化。

圖6 基礎模型分區(qū)研究分析

圖7 零件優(yōu)化流程

四、研究結(jié)果

基礎模模型研究主要是探討筋的角度、數(shù)量及高度，由圖8的分析結(jié)果可以看到等角度分配的筋在壓鑄時有卷氣存在，由圖9的分析結(jié)果可以看到減重22%仍然可以達到一定要求的機械強度，并且鑄造時無明顯缺陷存在。

圖8 基礎模型筋不同夾角的分析結(jié)果

圖9 基礎模型不同減重比率的分析結(jié)果

依據(jù)基礎模型的研究結(jié)果進行鑄件的優(yōu)化，由圖10可看出原始設計在荷重時有應力集中的現(xiàn)象，經(jīng)過筋條的優(yōu)化后有明顯的改善，最終減重了8.5%仍然有高強度的機械性能及良好的鑄造性。

圖10 鑄件分析結(jié)果

五、 結(jié)論

1.在本文的研究中開發(fā)方法能夠在開發(fā)的初期階段設計出結(jié)構(gòu)件的“最佳”設計。該方法可提升壓鑄件質(zhì)量、可鑄性和剛性的要求。
2.鑄造性是使用質(zhì)量指數(shù)來評估，該指數(shù)依據(jù)典型的鑄造缺陷來自填充和凝固，例如卷氣、冷接紋、氧化物夾雜、縮孔或其他孔隙。
3.開發(fā)流程可以適應不同的鑄造工藝，例如壓鑄、砂模鑄造和金屬型鑄造以及鋁或鎂等不同的材料。