含有残余应力的铝合金轮毂应力分布状态分析
赵玉涛，苏大为
（江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江２１２０１３）
摘要：利用ＰｒｏＣＡＳＴ软件对某铝合金轮毂产品进行低压铸造数值模拟，运算后得到了轮毂铸件的
铸造残余应力，通过开发的接口程序分别把轮毂铸件的有限元网格的节点信息、单元信息和各节
点上的六个应力分量输入到ＡＮＳＹＳ软件中，利用ＡＮＳＹＳ的结构分析模块对轮毂铸件进行静态加载．结果表明：通过这种方法，可以对含有铸造残余应力的轮毂铸件进行其他各种载荷分析，分析的结果更加符合铸造件的实际情况，可以获得准确的结果，指导实际工作．关键词：铝合金；铸造残余应力；接口程序；数值模拟中图分类号：ＴＧ２１＋３
文献标志码：Ａ
文章编号：１６７１—７７７５（２００８）０３—０２１８—０５
Ａｎａｌｙｓｅｓ
ｏｎ
ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｗｈｅｅｌ
ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ
ＺＨＡＯＹｕ—ｔａｏ，ＳＵＤａ—ｗｅｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ
ｏｆ
ＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｓｉｎｅｅｆｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｌｏｗｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｅｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｅｒｔａｉｎｔｙｐｅｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｈｅｅｌｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅＰｒｏＣＡＳＴ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓａｔｔｈｅｎｏｄｅｓｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．ＤａｔａｅｘｃｈａｎｇｅｐｒｏｇｒａｍｉｓＣＯＢ—ｐｉｌｅｄ．Ｎｏｄｅ，ｅｌｅｍｅｎｔａｎｄｓｉｘｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｓｏｆｔｗａｒｅｕｓｉｎｇ
ｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｅｎ
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ａｔｔｈｅｎｏｄｅｆｉｌｅｓ
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ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｗｈｅｅｌａｒｅ
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ｍｏｄｕｌｅｏｆＡＮＳＹＳ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｗｈｅｅｌｗｉｔｈｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｏｔｈｅｒｗｅｉｇｈｔ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｃａｓｔｉｎｇｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ；ｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｒｏｇｒａｍ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
随着汽车工业的不断发展，汽车制造商对车轮的要求越来越高．作为整车行驶部分的主要承载件
转弯、石块冲击、路面凹凸不平等各种动态载荷所产生的不规则应力的考验¨１．随着国内外计算机技术的飞速发展，汽车轮毂的设计和生产制造大量采用数值模拟技术进行生产工艺设计和结构优化设计旧Ｊ：通常是利用专业的铸造模拟软件对轮毂的生产铸造工艺进行数值模拟【３＇４］，通过反复模拟计算得到最佳的生产工艺，再投入实际生产；通过结构分析软件对轮毂的结构进行优化设计，得到最佳的设计方案［５。８Ｊ．但是，结构分析中并没有考虑铸造残余应力，这样的模拟结果不准确．文中利用铸造模拟软
——车轮，是左右整车性能最重要的安全部件．车轮从制造出来本身就存在着残余应力，其大小取决于
制造方法和消除应力的手段，也受车轮形状和结构本身的影响．当车轮被安装到车上后，车轮便承受着整车垂直方向的自重力，其中轮辋部分是通过轮胎的充气压力传递而来，轮辐部分的力是通过轮毂传递来的车辆自重力，这些力都属于静态应力．车辆行驶中，车轮同时还经受来自各个方向因起动、制动、
收稿日期：２００７—０９—１８
基金项目：江苏省科技成果转化项日（ＢＡ２００５０５４）；教育部蕈点基金资助项目（００１７０）；江苏省高技术研究项目（ＢＧ２００５０２６）作者简介：赵玉涛（１９６４一），男．江苏靖江人，教授，博士生导师（ｚｈａｏｙｔ＠ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ）．主要从事金属基复合材料的研究．
苏大为（１９８３一），男，吉林蚊河人，硕士研究生（ｓｕｄａｗｅｉ０１＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ），主要从事铸造工艺计算机辅助设计及模拟的应用研究
万方数据
件ＰｒｏＣＡＳＴ对新开发的轮毂产品进行铸造模拟，计算后得到铸件的残余应力，再通过开发的接口程序把铸件的残余应力作为初始载荷导人有限元分析软件ＡＮＳＹＳ中，对轮毂进行静态加载，分析比较考虑残余应力后轮毂的加载应力分布情况，验证由于残余应力和车辆重力的方向并非都一致，受力情况应该是两种力的叠加，这种叠加可能是“相加”，也有可能是“相减”的关系，从而模拟分析车轮在安装后形成的“初始动态应力”．
１
ＰｒｏＣＡＳＴ分析轮毂铸造应力
１．１轮毂低压铸造的应力数值计算
金属的凝固过程经过液态、固／液两相共存和固态三个阶段，材料的热物理性能和力学性能变化都很大，而且同一时刻可能存在三个区域共存的现象，因此凝固模拟涉及的应力一应变本构关系非常复杂．由于固／液两相共存区和固相区的力学行为差别很大，因此应力场的数值模拟分为固／液两相区的模拟和凝固以后阶段的模拟两部分旧Ｊ．文中应力模拟计算采用热弹塑性模型，热弹塑性模型不直接计入粘性效应，认为材料屈服前为弹性，屈服后则为塑性，弹性模量与屈服应力是温度的函数，且当材料接近熔点时，弹性模量与屈服应力均为０．在热弹塑性模型中总应变包括弹性应变、塑性应变和热应变，表示为
亭＝孝。＋手。＋孝Ｔ
（１）
在热弹塑性模型中，应力和弹性应变增量仍然符合弹性模型应力和应变增量公式：
盯＝Ｄ。孝。
（２）
把式（１）代入式（２），得应力和总应变的关系为
盯＝Ｄ。（孝一手。一孝，）
（３）
为进行应力分析，要求应力和总应变写成：
盯＝Ｄ。。（孝一靠）
（４）
式中Ｄ。。为热弹塑性模型的弹塑性矩阵［１０｜．
１．２材料热物理性能参数的设定
轮毂铸件材料为Ａ３５６：∞（Ｓｉ）＝７０％，ｔＯ（Ｍｇ）＝０．３３％，余量为铝，泊松比ｏｒ＝０．３３，材料的热物性参数¨１。１４１如表１、图１和图２所示．
模具材料为Ｓｔｅｅｌ—Ｈ１３，模具之间的界面传热系数为１
５００
Ｗ／（ｉｎ２・Ｋ），模具与铸件之间界面传热系数为１
２８０
Ｗ／（ｍ２・Ｋ）‘１５】．
万
方数据２１９
表１
Ａ３５６的弹性模量与屈服应力的温度函数
Ｔａｂ．１
ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＹｏｕｎｇ’ｓｍｏｄｕｌｕｓｏｆＡ３５６ａｎｄｙｉｅｌｄｓｔｒｅｓｓ
温度／弹性模量／屈服应力／
温度／弹性模量／屈服应力／
℃
ＧＰａ
ＭＰａ℃
ＧＰａＭＰａ
２０７１．７０５
１８６．１６５００
３６．５４２３１．０３
２００６９．６３６１７２．３７５５０
１８．９４８
—
３００６３．７７６
１１６．５２
５５４
１４．３４０
９．３ｌ
４００
５７．２２６
５４．４７
６１６１４．３４０
１．８６
ｐ
∞
２＼糕垛蚩登辕
温度／℃
图１热膨胀系数
Ｆｉｇ．１
Ｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎ
图２导热系数
Ｆｉｇ．２
Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
铸件浇注温度为７０５ｏＣ，模具上模的初始温度为３６０℃，侧模为３６０ｏＣ，下模为４３０ｏＣ．充型过程
图３充型过程ｊＪＵＥ．参数
Ｆｉｇ．３
Ｐｒｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｆｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
１．３初始条件的确定
加压循环见图３．
２２０
ＰｒｏＣＡＳＴ软件是在高斯点上进行应力计算的，然后内插值到节点上，经过１４９０时间步的计算后，２
ＰｒｏＣＡＳＴ网格单元与ＡＮＳＹＳ软得到了最后一步的应力结果，如图４所示．
件的连接
铸件在ＰｒｏＣＡＳＴ中划分的单元类型为四节点
四面体单元，研究发现对应于ＡＮＳＹＳ的六节点四面体Ｓｏｌｉｄｌ８５单元．表２和表３为ＰｒｏＣＡＳＴ建立的网格单元和ＡＮＳＹＳ的Ｓｏｌｉｄｌ８５单元的对比．
表２
ＰｒｏＣＡＳＴ的单元节点类型
Ｔａｂ．２
Ｄａｔｅ
ｆｏｒｍａｔｏｆＰｒｏＣＡＳＴｅｌｅｍｅｎｔ
图４计算到ｌ４９０时间步的等效应力结果
Ｆｉｇ．４
Ｒｅｓｕｌｔｏｆ１４９０ｔｉｍｅｓｔｅｐ
表３
ＡＮＳＹＳ的单元节点类型
Ｔａｂ．３
Ｄａｔｅ
ｆｏｒｍａｔ
ｏｆＡＮＳＹＳｅｌｅｍｅｎｔ
因此可以通过编写程序将ＰｒｏＣＡＳＴ的单元网格转化为ＡＮＳＹＳ识别的单元．文中利用ＭＡＴＬＡＢ编写了相应的单元转化程序“Ｅｘｃｈａｎｇｅ－Ｅｌｅｍｅｎｔ．ｍ”，将ＰｒｏＣＡＳＴ划分的网格单元导人到ＡＮＳＹＳ中．图５为导入到ＡＮＳＹＳ中的轮毂单元．
图６仅施加径向载荷的等效应力分布
Ｆｉｇ．６
Ｖｏｎｍｉｓｅｓ
ｓｔｒｅｓｓ
ｏｆｏｎｌｙｒａｄｉａｌｌｏａｄ
ｏｎ
ｗｈｅｅｌ
仅考虑铸造残余应力时，文中利用ＭＡＴＬＡＢ编写的“Ｅｘｃｈａｎｇｅ．Ｓｔｒｅｓｓ．ｍ”程序实现了将ＰｒｏＣＡＳＴ的应力文件转换为ＡＮＳＹＳ接受的应力文件的过程．将
图５
ＰｒｏＣＡＳＴ的网格单元导人到ＡＮＳＹＳ中
转换后的应力文件“ｉｎｓｔｒｅｓｓ．ｉｓｔ”作为初始应力文件Ｆｉｇ．５
ＭｅｓｈｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆＰｒｏＣＡＳＴｔｒａｎｓｍｉｔｉｎｔｏＡＮＳＹＳ
加载到ＡＮＳＹＳ中轮毂单元的高斯点上．同样采用约束轮毂中间凸台面的所有自由度．计算其等效应力，３利用ＡＮＳＹＳ对轮毂进行结构分析
结果如图７所示．
将应力文件作为初始载荷，加载到单元的高斯在轮毂中间凸台面施加所有自由度约束．于轮点上，于轮辋外侧轴向由外向内８０％处施加径向
辋外侧轴向由外向内８０％处施加径向载荷，具体数８０００
Ｎ的载荷，约束同上，计算后得到等效应力，结
值为８０００Ｎ，计算结果如图６所示．
果如图８所示．
万
方数据
黼７仅施魏残余应力
Ｆｉｇ．７
Ｏｎｌｙｒｅｓｉｄｕａｌ
ｓｔｒｅｓｓ
ｌｏａｄ
ｏｎ
ｗｈｅｅｌ
图８同时施加残余应力和径向载荷
Ｆｉｇ。８
Ｒｅｓｉｄｕａｌ
ｓｔｒｅｓｓ
ａｎｄｒａｄｉａｌｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｏａｄ
ｏｎ
ｗｈｅｅｌ
４讨论
表４对不同载荷下应力的极值进行了比较．仅施加径向载荷时，轮毂的等效应力最小值为０
ＭＰａ，
最大波力值为１１９。００Ｍ毪（霓图６）；仅麓擒残余应力时，轮毂的等效应力最小值为Ｏ．９５ＭＰａ，最大应力值为５９．１０ＭＰａ（见图７）；图８给出了同时施加径离载荷和残余应力时轮毂的应力值，最小俊力
１．２８
ＭＰａ，最大值为１１７．００ＭＰａ．这样，考虑了轮毂
的残余应力，使得等效应力最小值变大、最大应力值有所下降，说明节点主残余应力的方向与施加径惫载荷产生的等效应力的方向可能相同，也可能相反，如果两者方向相同，在节点处的应力叠加，从而该节点处觞应力值增大，方离不～致时剽撰互抵消，其等效应力减小．从总体上看，轮毂上的较大应力的范围扩大，即认为，在考虑了铸造残余应力后施加径向载荷，轮毂上的应力无论是数值还是方向都发生了重新分配，这样对轮毂应力的分析更加贴近事实．
车轮从制造出来本身就存在着残余应力，其大小取决于锈造方法和消除疲力的手段，也受车轮形状和结构本身的影响．当车轮被安装到车上后，车轮便承受着整车垂攫方向的是重力。这麟于静态应力．由予残余应力和车辆重力的方向并非都一致，所以
万
方数据２２１
车轮装车后原始状态的受力情况应该足两种力的叠加，“叠加”的结果如图９所示，这种现象符合上述摸拟结果的“叠加”关系，这就是车轮在安装后形成的“初始动态应力”‘１｜．
表４不曩载芬条馋下豹应力壤蓬的毙较
Ｔａｂ．４
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓｏｆ
ｍｉｎｍｕｍａｎｄｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｓ
ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄ
ｗｅｉｇｈｔｓ
载赫情况
最小应力／ＭＰａ最大应力／ＭＰａ
图９车轮静态初始应力分布
Ｆｉｇ．９
Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｗｈｅｅｌ’ｓｉｎｉｔｉａｌｓｔａｔｉｃ８ｔｒｅ￥８
５结论
（１）利用ＰｒｏＣＡＳＴ软件对某低压铸造的铝合金轮毂产品的铸造过程进行数值模拟，运算爝碍到了轮毂铸件的铸造残余应力，透过开发的接麓程序把轮毂铸件的有限元网格的节点信息、单元信息和各节点的应力值输入到ＡＮＳＹＳ软件中，利用ＡＮＳＹＳ进行后续的结构分析计算。
（２）利用ＡＮＳＹＳ软件进行考虑残余应力的铸造零件结构分析是有效的．通过开发的接嗣程序，可以对含有铸造残余应力的轮毂铸件迸行其他各种加载分析，分析的结果更加符合铸件的实际情况，验证了盎于残余应力和车辆重力的方向并非都一致，受力情况应该是两种力的叠加，这种叠加可能是“相加”，也可能是“相减”的关系．
参考文献ｆＲｅｆｅｒｅｎｃｅｓｌ
［１］
赵玉涛，中国汽车工业协会摩托车分会车轮委员会．
锯舍金攀轮制造技术［刚。二ｌ￡寒：执械王她出叛社，
２００４：１—２．
２２２
［２］Ｊｏｌｌｙ
ＭＲ．Ｃｏｓｔｂｅｎｅｆｉｔｓｏｆｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｏ
ｆｏｕｎｄｒｙ
ｕｓｅｌ瞎［Ｊ］．Ｆｏｕｎｄｒｙ，１９９４，９（１）：１１一１８．
［３］Ｓｕｌｍｍａｎｓ，ＨａｍｏｕｄａＡＭＳ，ＡｂｅｄｉｎＳ，ｅｔａ１．Ｓｉｍｕｌａ－
ｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｆｉｌｌｉｎｇｐｒｏｇｒｅｓｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
［Ｊ］．Ｊｏｕｍａ／ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０００，
１００（８）：２２４—２２９．
［４］Ｘｉｏｎｇ
Ｓｈｏｕｍｅｉ，Ｌａｕ
Ｆ，Ｌｅｅ
ＷＢ，ｅｔａ１．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓ
ｔｏ
ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｒ－ｒｅａｌａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｄｉｅｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，１３９（１—３）：
４５７—４６１．
［５］Ｌｉ
Ｘｉｎｇｇａｎｇ，Ｘｉｅ
Ｓｈｕｉｓｈｅｎｇ，ＪｉａｎｇＹｕｎｘｉ．Ｒｉｎｄ－ｖｉｓｅｏ—
ｐｌａｓｔｉｃｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｎ
ｓｅｍｉ－ｓｏｌｉｄｔｈｉｘｏｆｏｒｍｉｎｇ
ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｗｈｅｅｌｏｆＡＺ９１Ｄｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙ［ｃ］∥Ｐｒｏ－
ｃｅｅｄｉｎｇｓ
ｏｆ
ｔｈｅ８ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
ｏｎ
Ｓｅｍｉ—
ＳｏｌｉｄＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆＡｌｌｏｙ，ａｎｄ
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｃｙｐｒｕｓ：Ｌｉ・
ｍａｓｓｏｌ，２００４：３７７—３８３．
［６］ＬｉＰｅｉｆｅｎｇ，ＬｅｅＰｅｔｅｒＤ，Ｍａｉｊｅｒ
ＤａａｎＭ，ｅｔａ１．Ｔｈｒｏｕｇｈ
ｐｒｏｃｅｓｓ
ｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｃａｓｔｉｎｇｓ
ｒｅｌａｔｉｎｇ
ｃａｓｔｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓ
ｔｏ
ｆａｔｉｇｕｅ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］．ＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆＣａｓｔｉｎｇ，ＷｅｌｄｉｎｇａｎｄＡｄｖａｎｃｅｄＳｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｅｓ，
２００６：６６１—６６８．
［７］ＬｉＰｅｉｆｅｎｇ，Ｍａｉｊｅｒ
ＤａａｎＭ，ＬｉｎｄｌｅｙＴｒｅｖｏｒＣ，ｅｔａ１．Ａ
ｖａｌｉｄａｔｅｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｃｙｃｌｉｃｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅ
ｏｆａｎＡ３５６
ａｎ－
ｔｏｍｏｔｉｖｅｗｈｅｅｌａｎｄｉｔｓｉｍｐａｃｔｏｎ
ｆａｔｉｇｕｅ
ｌｉｆｅ［Ｃ］／／ＴＭＳＡｎｎｕａｌ
Ｍｅｅｔｉｎｇ，ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＡｌｕｍｉｎｕｍＳｈａｐｅＣａｓｔｉｎｇ
Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：Ｆｒｏｍ
ＡｌｌｏｙＤｅｓｉｇｎ
ｔｏ
ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓ：ＳａｎＡｎｔｏｎｉｏ．ＴＸ，２００６：７３—８０．
［８］ＷａｎｇＹｉｎｇｃｈｕｎ，ＷａｎｇＷｅｉｍｉｎｇ，Ｌｉ
Ｄａｙｏｎｇ，ｅｔａ１．
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆｃｏｏｌｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ
ｉｎｍｏｌｄ
ｄｕｒｉｎｇ
ＬＰＤＣ
ｏｆｍａｇｎｅｓｉｕｍｗｈｅｅｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
Ｓｈａｎｇｈａｉ
ＪｉｏｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００５，３９（７）：１０８２—１０８５．
［９］
刘强，蒋玉明，杨屹，等．铸件铸造过程应力场数值模拟［Ｊ］．热加工工艺，２００２（５）：５２—５４．
ＬＩＵＱｉａｎｇ，ＪＩＡＮＧ
Ｙｕ－ｍｉｎｇ，ＹＡＮＧＹｉ，ｅｔａ１．Ｎｕｍｅｒｉ－
ｃａｌ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｏｆ
ｓｔｒｅｓｓ
ｆｉｅｌｄ
ｄｕｒｉｎｇｃａｓｔｉｎｇｆｏｕｎｄｒｙ
ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．Ｈｏｔ
Ｗｏｒｋｉｎｇ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２（５）：５２—
５４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
万
方数据［１０］熊守美，许庆彦，康进武．铸造过程模拟仿真技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４：２８１—２８７．
［１１］谭建荣，吴培宁，张树有，等．压铸件凝固过程温度场
变化的计算机模拟［Ｊ］．农业机械学报，２００２（２）：１０５
—１０８．ＴＡＮ
Ｊｉａｎ—ｔｏｎｇ，ＷＵＰｅｉ－ｎｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＳｈｕ－ｙｏｕ，ｅｔａ１．
Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｉｎ
ａ
ｄｉｅｐｒｅｓｓｅｄ
ｃａｓｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅ
ＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｇｒｉ－
ｃｕｌｔｕｒａｌ
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２００２（２）：１０５—１０８．（ｉｎ
Ｃｈｉ—
ｎｅｓｅ）
［１２］
赵玉涛，陈刚．高性能、低成本轻合金车轮的研究现状与发展趋势［Ｊ］．摩托车技术，２００６（１１）：４０—
４３．
ＺＨＡＯＹｕ—ｔａｏ，ＣＨＥＮＧａｎｇ．Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔ
ｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆ
ｒｅ－
ｓｅａｒｃｈ
ａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ａｎｄｌｏｗ—ｃｏｓｔｌｉｇｈｔａｕｏｙｗｈｅｅｌ［Ｊ］．Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ—
ｇＹ，２００６（１１）：４０—４３．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
［１３］赵玉涛．高强度、高延性铝合金轮毂材料的研究［Ｊ］．江苏理工大学学报，１９９６，１７（６）：６８—７２．
ＺＨＡＯＹｕ－ｔａｏ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ
ｔｈｅｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｈｉｇｈｄｕｅ－
ｔｉｌｅａｌｕｍｉｎｕｍｗｈｅｅｌ
ｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕ
Ｕ－
ｎｉｖｅｒｓｉ秒ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ
ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９６，１７（６）：６８
—７２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
［１４］周玉辉，吴卫．压铸过程温度场的数值模拟及其
在ＰｒｏＣＡＳＴ中的应用［Ｊ］．电加工与模具，２００５（５）：
４２—４５．ＺＨＯＵ
Ｙｕ—ｈｕｉ．ＷＵＷｅｉ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ
ｔｅｍ－
ｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｄｉｅｓａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎＰｒｏＣＡＳＴ
［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇａｎｄＭｏｕｌｄ，２００５（５）：４２—４５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
［１５］
韩雄伟，吴卫．铝合金压铸模具温度场数值分析［Ｊ］．常熟理工学院学报，２００７，２１（４）：８０—８１．
ＨＡＮ
Ｘｉｏｎｇ—ｗｅｉ，ＷＵＷｅｉ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｅｒｎ－
ｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ
ｄｉｅｃａｓｔｉｎｇ
ｄｉｅｓ［Ｊ］．
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈａｎｇｓｈｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，２１
（４）：８０—８１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
（责任编辑徐红星）
含有残余应力的铝合金轮毂应力分布状态分析
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
赵玉涛， 苏大为， ZHAO Yu-tao， SU Da-wei江苏大学,材料科学与工程学院,江苏,镇江212013
江苏大学学报（自然科学版）
JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)2008,29(3)
参考文献(15条)
1.韩雄伟;吴卫 铝合金压铸模具温度场数值分析[期刊论文]-常熟理工学院学报 2007(04)
2.周玉辉;吴卫 压铸过程温度场的数值模拟及其在ProCAST中的应用[期刊论文]-电加工与模具 2005(05)3.赵玉涛 高强度、高延性铝合金轮毂材料的研究 1996(06)
4.赵玉涛;陈刚 高性能、低成本轻合金车轮的研究现状与发展趋势[期刊论文]-摩托车技术 2006(11)5.谭建荣;吴培宁;张树有 压铸件凝固过程温度场变化的计算机模拟[期刊论文]-农业机械学报 2002(02)
6.Li Peifeng;Lee Peter D;Maijer Daan M Through process modeling of aluminum alloy castings relatingcasting defects to fatigue performance 2006
7.Li Xinggang;Xie Shuisheng;Jiang Yunxi Rigid-visco-plastic finite element analysis on semi-solidthixoforming automobile wheel of AZ91D magnesium alloy 2004
8.Xiong Shoumei;Lau F;Lee W B Numerical methods to improve the computational efficiency of thermalanalysis for the die casting process[外文期刊] 2003(1-3)
9.Sulaiman S;Hamouda A M S;Abedin S Simulation of metal filling progress during the casting process[外文期刊] 2000(08)
10.Jolly M R Cost benefits of solidification simulation to foundry users 1994(01)11.刘强;蒋玉明;杨屹 铸件铸造过程应力场数值模拟[期刊论文]-热加工工艺 2002(05)
12.Wang Yingchun;Wang Weiming;Li Dayong Simulation analysis of cooling capacity in mold during LPDCof magnesium wheel[期刊论文]-Journal of Shanghai Jiaotong University 2005(07)
13.Li Peifeng;Maijer Daan M;Lindley Trevor C A validated model of the cyclic stress state of an A356automotive wheel and its impact on fatigue life 200614.熊守美;许庆彦;康进武 铸造过程模拟仿真技术 2004
15.赵玉涛;中国汽车工业协会摩托车分会车轮委员会 铝合金车轮制造技术 2004
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jslgdxxb200803009.aspx
含有残余应力的铝合金轮毂应力分布状态分析
赵玉涛，苏大为
（江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江２１２０１３）
摘要：利用ＰｒｏＣＡＳＴ软件对某铝合金轮毂产品进行低压铸造数值模拟，运算后得到了轮毂铸件的
铸造残余应力，通过开发的接口程序分别把轮毂铸件的有限元网格的节点信息、单元信息和各节
点上的六个应力分量输入到ＡＮＳＹＳ软件中，利用ＡＮＳＹＳ的结构分析模块对轮毂铸件进行静态加载．结果表明：通过这种方法，可以对含有铸造残余应力的轮毂铸件进行其他各种载荷分析，分析的结果更加符合铸造件的实际情况，可以获得准确的结果，指导实际工作．关键词：铝合金；铸造残余应力；接口程序；数值模拟中图分类号：ＴＧ２１＋３
文献标志码：Ａ
文章编号：１６７１—７７７５（２００８）０３—０２１８—０５
Ａｎａｌｙｓｅｓ
ｏｎ
ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｗｈｅｅｌ
ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ
ＺＨＡＯＹｕ—ｔａｏ，ＳＵＤａ—ｗｅｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ
ｏｆ
ＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｓｉｎｅｅｆｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｌｏｗｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｅｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｅｒｔａｉｎｔｙｐｅｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｈｅｅｌｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅＰｒｏＣＡＳＴ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓａｔｔｈｅｎｏｄｅｓｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．ＤａｔａｅｘｃｈａｎｇｅｐｒｏｇｒａｍｉｓＣＯＢ—ｐｉｌｅｄ．Ｎｏｄｅ，ｅｌｅｍｅｎｔａｎｄｓｉｘｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｓｏｆｔｗａｒｅｕｓｉｎｇ
ｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｅｎ
ｔｅｎｓｏｒ
ａｔｔｈｅｎｏｄｅｆｉｌｅｓ
ａｒｅ
ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｉｎｔｏＡＮＳＹＳ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｗｈｅｅｌａｒｅ
ｃａｎ
ａｎａｌｙｚｅｄｂｙｔｈｅ
ｍｏｄｕｌｅｏｆＡＮＳＹＳ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｗｈｅｅｌｗｉｔｈｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｏｔｈｅｒｗｅｉｇｈｔ
ｏｎ
ｂｅａｎａｌｙｚｅｄｗｈｅｎｗｅｌｏａｄ
ｉｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ
ａｒｅ
ｍｏｒｅ
ａｃｃｕｒａｔｅ
ｔｈａｎｔｈｅ
ｏｎｅ
ｗｉｔｈｏｕｔｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｃａｓｔｉｎｇｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ；ｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｒｏｇｒａｍ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
随着汽车工业的不断发展，汽车制造商对车轮的要求越来越高．作为整车行驶部分的主要承载件
转弯、石块冲击、路面凹凸不平等各种动态载荷所产生的不规则应力的考验¨１．随着国内外计算机技术的飞速发展，汽车轮毂的设计和生产制造大量采用数值模拟技术进行生产工艺设计和结构优化设计旧Ｊ：通常是利用专业的铸造模拟软件对轮毂的生产铸造工艺进行数值模拟【３＇４］，通过反复模拟计算得到最佳的生产工艺，再投入实际生产；通过结构分析软件对轮毂的结构进行优化设计，得到最佳的设计方案［５。８Ｊ．但是，结构分析中并没有考虑铸造残余应力，这样的模拟结果不准确．文中利用铸造模拟软
——车轮，是左右整车性能最重要的安全部件．车轮从制造出来本身就存在着残余应力，其大小取决于
制造方法和消除应力的手段，也受车轮形状和结构本身的影响．当车轮被安装到车上后，车轮便承受着整车垂直方向的自重力，其中轮辋部分是通过轮胎的充气压力传递而来，轮辐部分的力是通过轮毂传递来的车辆自重力，这些力都属于静态应力．车辆行驶中，车轮同时还经受来自各个方向因起动、制动、
收稿日期：２００７—０９—１８
基金项目：江苏省科技成果转化项日（ＢＡ２００５０５４）；教育部蕈点基金资助项目（００１７０）；江苏省高技术研究项目（ＢＧ２００５０２６）作者简介：赵玉涛（１９６４一），男．江苏靖江人，教授，博士生导师（ｚｈａｏｙｔ＠ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ）．主要从事金属基复合材料的研究．
苏大为（１９８３一），男，吉林蚊河人，硕士研究生（ｓｕｄａｗｅｉ０１＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ），主要从事铸造工艺计算机辅助设计及模拟的应用研究
万方数据
件ＰｒｏＣＡＳＴ对新开发的轮毂产品进行铸造模拟，计算后得到铸件的残余应力，再通过开发的接口程序把铸件的残余应力作为初始载荷导人有限元分析软件ＡＮＳＹＳ中，对轮毂进行静态加载，分析比较考虑残余应力后轮毂的加载应力分布情况，验证由于残余应力和车辆重力的方向并非都一致，受力情况应该是两种力的叠加，这种叠加可能是“相加”，也有可能是“相减”的关系，从而模拟分析车轮在安装后形成的“初始动态应力”．
１
ＰｒｏＣＡＳＴ分析轮毂铸造应力
１．１轮毂低压铸造的应力数值计算
金属的凝固过程经过液态、固／液两相共存和固态三个阶段，材料的热物理性能和力学性能变化都很大，而且同一时刻可能存在三个区域共存的现象，因此凝固模拟涉及的应力一应变本构关系非常复杂．由于固／液两相共存区和固相区的力学行为差别很大，因此应力场的数值模拟分为固／液两相区的模拟和凝固以后阶段的模拟两部分旧Ｊ．文中应力模拟计算采用热弹塑性模型，热弹塑性模型不直接计入粘性效应，认为材料屈服前为弹性，屈服后则为塑性，弹性模量与屈服应力是温度的函数，且当材料接近熔点时，弹性模量与屈服应力均为０．在热弹塑性模型中总应变包括弹性应变、塑性应变和热应变，表示为
亭＝孝。＋手。＋孝Ｔ
（１）
在热弹塑性模型中，应力和弹性应变增量仍然符合弹性模型应力和应变增量公式：
盯＝Ｄ。孝。
（２）
把式（１）代入式（２），得应力和总应变的关系为
盯＝Ｄ。（孝一手。一孝，）
（３）
为进行应力分析，要求应力和总应变写成：
盯＝Ｄ。。（孝一靠）
（４）
式中Ｄ。。为热弹塑性模型的弹塑性矩阵［１０｜．
１．２材料热物理性能参数的设定
轮毂铸件材料为Ａ３５６：∞（Ｓｉ）＝７０％，ｔＯ（Ｍｇ）＝０．３３％，余量为铝，泊松比ｏｒ＝０．３３，材料的热物性参数¨１。１４１如表１、图１和图２所示．
模具材料为Ｓｔｅｅｌ—Ｈ１３，模具之间的界面传热系数为１
５００
Ｗ／（ｉｎ２・Ｋ），模具与铸件之间界面传热系数为１
２８０
Ｗ／（ｍ２・Ｋ）‘１５】．
万
方数据２１９
表１
Ａ３５６的弹性模量与屈服应力的温度函数
Ｔａｂ．１
ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＹｏｕｎｇ’ｓｍｏｄｕｌｕｓｏｆＡ３５６ａｎｄｙｉｅｌｄｓｔｒｅｓｓ
温度／弹性模量／屈服应力／
温度／弹性模量／屈服应力／
℃
ＧＰａ
ＭＰａ℃
ＧＰａＭＰａ
２０７１．７０５
１８６．１６５００
３６．５４２３１．０３
２００６９．６３６１７２．３７５５０
１８．９４８
—
３００６３．７７６
１１６．５２
５５４
１４．３４０
９．３ｌ
４００
５７．２２６
５４．４７
６１６１４．３４０
１．８６
ｐ
∞
２＼糕垛蚩登辕
温度／℃
图１热膨胀系数
Ｆｉｇ．１
Ｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎ
图２导热系数
Ｆｉｇ．２
Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
铸件浇注温度为７０５ｏＣ，模具上模的初始温度为３６０℃，侧模为３６０ｏＣ，下模为４３０ｏＣ．充型过程
图３充型过程ｊＪＵＥ．参数
Ｆｉｇ．３
Ｐｒｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｆｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
１．３初始条件的确定
加压循环见图３．
２２０
ＰｒｏＣＡＳＴ软件是在高斯点上进行应力计算的，然后内插值到节点上，经过１４９０时间步的计算后，２
ＰｒｏＣＡＳＴ网格单元与ＡＮＳＹＳ软得到了最后一步的应力结果，如图４所示．
件的连接
铸件在ＰｒｏＣＡＳＴ中划分的单元类型为四节点
四面体单元，研究发现对应于ＡＮＳＹＳ的六节点四面体Ｓｏｌｉｄｌ８５单元．表２和表３为ＰｒｏＣＡＳＴ建立的网格单元和ＡＮＳＹＳ的Ｓｏｌｉｄｌ８５单元的对比．
表２
ＰｒｏＣＡＳＴ的单元节点类型
Ｔａｂ．２
Ｄａｔｅ
ｆｏｒｍａｔｏｆＰｒｏＣＡＳＴｅｌｅｍｅｎｔ
图４计算到ｌ４９０时间步的等效应力结果
Ｆｉｇ．４
Ｒｅｓｕｌｔｏｆ１４９０ｔｉｍｅｓｔｅｐ
表３
ＡＮＳＹＳ的单元节点类型
Ｔａｂ．３
Ｄａｔｅ
ｆｏｒｍａｔ
ｏｆＡＮＳＹＳｅｌｅｍｅｎｔ
因此可以通过编写程序将ＰｒｏＣＡＳＴ的单元网格转化为ＡＮＳＹＳ识别的单元．文中利用ＭＡＴＬＡＢ编写了相应的单元转化程序“Ｅｘｃｈａｎｇｅ－Ｅｌｅｍｅｎｔ．ｍ”，将ＰｒｏＣＡＳＴ划分的网格单元导人到ＡＮＳＹＳ中．图５为导入到ＡＮＳＹＳ中的轮毂单元．
图６仅施加径向载荷的等效应力分布
Ｆｉｇ．６
Ｖｏｎｍｉｓｅｓ
ｓｔｒｅｓｓ
ｏｆｏｎｌｙｒａｄｉａｌｌｏａｄ
ｏｎ
ｗｈｅｅｌ
仅考虑铸造残余应力时，文中利用ＭＡＴＬＡＢ编写的“Ｅｘｃｈａｎｇｅ．Ｓｔｒｅｓｓ．ｍ”程序实现了将ＰｒｏＣＡＳＴ的应力文件转换为ＡＮＳＹＳ接受的应力文件的过程．将
图５
ＰｒｏＣＡＳＴ的网格单元导人到ＡＮＳＹＳ中
转换后的应力文件“ｉｎｓｔｒｅｓｓ．ｉｓｔ”作为初始应力文件Ｆｉｇ．５
ＭｅｓｈｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆＰｒｏＣＡＳＴｔｒａｎｓｍｉｔｉｎｔｏＡＮＳＹＳ
加载到ＡＮＳＹＳ中轮毂单元的高斯点上．同样采用约束轮毂中间凸台面的所有自由度．计算其等效应力，３利用ＡＮＳＹＳ对轮毂进行结构分析
结果如图７所示．
将应力文件作为初始载荷，加载到单元的高斯在轮毂中间凸台面施加所有自由度约束．于轮点上，于轮辋外侧轴向由外向内８０％处施加径向
辋外侧轴向由外向内８０％处施加径向载荷，具体数８０００
Ｎ的载荷，约束同上，计算后得到等效应力，结
值为８０００Ｎ，计算结果如图６所示．
果如图８所示．
万
方数据
黼７仅施魏残余应力
Ｆｉｇ．７
Ｏｎｌｙｒｅｓｉｄｕａｌ
ｓｔｒｅｓｓ
ｌｏａｄ
ｏｎ
ｗｈｅｅｌ
图８同时施加残余应力和径向载荷
Ｆｉｇ。８
Ｒｅｓｉｄｕａｌ
ｓｔｒｅｓｓ
ａｎｄｒａｄｉａｌｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｏａｄ
ｏｎ
ｗｈｅｅｌ
４讨论
表４对不同载荷下应力的极值进行了比较．仅施加径向载荷时，轮毂的等效应力最小值为０
ＭＰａ，
最大波力值为１１９。００Ｍ毪（霓图６）；仅麓擒残余应力时，轮毂的等效应力最小值为Ｏ．９５ＭＰａ，最大应力值为５９．１０ＭＰａ（见图７）；图８给出了同时施加径离载荷和残余应力时轮毂的应力值，最小俊力
１．２８
ＭＰａ，最大值为１１７．００ＭＰａ．这样，考虑了轮毂
的残余应力，使得等效应力最小值变大、最大应力值有所下降，说明节点主残余应力的方向与施加径惫载荷产生的等效应力的方向可能相同，也可能相反，如果两者方向相同，在节点处的应力叠加，从而该节点处觞应力值增大，方离不～致时剽撰互抵消，其等效应力减小．从总体上看，轮毂上的较大应力的范围扩大，即认为，在考虑了铸造残余应力后施加径向载荷，轮毂上的应力无论是数值还是方向都发生了重新分配，这样对轮毂应力的分析更加贴近事实．
车轮从制造出来本身就存在着残余应力，其大小取决于锈造方法和消除疲力的手段，也受车轮形状和结构本身的影响．当车轮被安装到车上后，车轮便承受着整车垂攫方向的是重力。这麟于静态应力．由予残余应力和车辆重力的方向并非都一致，所以
万
方数据２２１
车轮装车后原始状态的受力情况应该足两种力的叠加，“叠加”的结果如图９所示，这种现象符合上述摸拟结果的“叠加”关系，这就是车轮在安装后形成的“初始动态应力”‘１｜．
表４不曩载芬条馋下豹应力壤蓬的毙较
Ｔａｂ．４
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓｏｆ
ｍｉｎｍｕｍａｎｄｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｓ
ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄ
ｗｅｉｇｈｔｓ
载赫情况
最小应力／ＭＰａ最大应力／ＭＰａ
图９车轮静态初始应力分布
Ｆｉｇ．９
Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｗｈｅｅｌ’ｓｉｎｉｔｉａｌｓｔａｔｉｃ８ｔｒｅ￥８
５结论
（１）利用ＰｒｏＣＡＳＴ软件对某低压铸造的铝合金轮毂产品的铸造过程进行数值模拟，运算爝碍到了轮毂铸件的铸造残余应力，透过开发的接麓程序把轮毂铸件的有限元网格的节点信息、单元信息和各节点的应力值输入到ＡＮＳＹＳ软件中，利用ＡＮＳＹＳ进行后续的结构分析计算。
（２）利用ＡＮＳＹＳ软件进行考虑残余应力的铸造零件结构分析是有效的．通过开发的接嗣程序，可以对含有铸造残余应力的轮毂铸件迸行其他各种加载分析，分析的结果更加符合铸件的实际情况，验证了盎于残余应力和车辆重力的方向并非都一致，受力情况应该是两种力的叠加，这种叠加可能是“相加”，也可能是“相减”的关系．
参考文献ｆＲｅｆｅｒｅｎｃｅｓｌ
［１］
赵玉涛，中国汽车工业协会摩托车分会车轮委员会．
锯舍金攀轮制造技术［刚。二ｌ￡寒：执械王她出叛社，
２００４：１—２．
２２２
［２］Ｊｏｌｌｙ
ＭＲ．Ｃｏｓｔｂｅｎｅｆｉｔｓｏｆｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｏ
ｆｏｕｎｄｒｙ
ｕｓｅｌ瞎［Ｊ］．Ｆｏｕｎｄｒｙ，１９９４，９（１）：１１一１８．
［３］Ｓｕｌｍｍａｎｓ，ＨａｍｏｕｄａＡＭＳ，ＡｂｅｄｉｎＳ，ｅｔａ１．Ｓｉｍｕｌａ－
ｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｆｉｌｌｉｎｇｐｒｏｇｒｅｓｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
［Ｊ］．Ｊｏｕｍａ／ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０００，
１００（８）：２２４—２２９．
［４］Ｘｉｏｎｇ
Ｓｈｏｕｍｅｉ，Ｌａｕ
Ｆ，Ｌｅｅ
ＷＢ，ｅｔａ１．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓ
ｔｏ
ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｒ－ｒｅａｌａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｄｉｅｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，１３９（１—３）：
４５７—４６１．
［５］Ｌｉ
Ｘｉｎｇｇａｎｇ，Ｘｉｅ
Ｓｈｕｉｓｈｅｎｇ，ＪｉａｎｇＹｕｎｘｉ．Ｒｉｎｄ－ｖｉｓｅｏ—
ｐｌａｓｔｉｃｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｎ
ｓｅｍｉ－ｓｏｌｉｄｔｈｉｘｏｆｏｒｍｉｎｇ
ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｗｈｅｅｌｏｆＡＺ９１Ｄｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙ［ｃ］∥Ｐｒｏ－
ｃｅｅｄｉｎｇｓ
ｏｆ
ｔｈｅ８ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
ｏｎ
Ｓｅｍｉ—
ＳｏｌｉｄＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆＡｌｌｏｙ，ａｎｄ
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｃｙｐｒｕｓ：Ｌｉ・
ｍａｓｓｏｌ，２００４：３７７—３８３．
［６］ＬｉＰｅｉｆｅｎｇ，ＬｅｅＰｅｔｅｒＤ，Ｍａｉｊｅｒ
ＤａａｎＭ，ｅｔａ１．Ｔｈｒｏｕｇｈ
ｐｒｏｃｅｓｓ
ｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｃａｓｔｉｎｇｓ
ｒｅｌａｔｉｎｇ
ｃａｓｔｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓ
ｔｏ
ｆａｔｉｇｕｅ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］．ＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆＣａｓｔｉｎｇ，ＷｅｌｄｉｎｇａｎｄＡｄｖａｎｃｅｄＳｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｅｓ，
２００６：６６１—６６８．
［７］ＬｉＰｅｉｆｅｎｇ，Ｍａｉｊｅｒ
ＤａａｎＭ，ＬｉｎｄｌｅｙＴｒｅｖｏｒＣ，ｅｔａ１．Ａ
ｖａｌｉｄａｔｅｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｃｙｃｌｉｃｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅ
ｏｆａｎＡ３５６
ａｎ－
ｔｏｍｏｔｉｖｅｗｈｅｅｌａｎｄｉｔｓｉｍｐａｃｔｏｎ
ｆａｔｉｇｕｅ
ｌｉｆｅ［Ｃ］／／ＴＭＳＡｎｎｕａｌ
Ｍｅｅｔｉｎｇ，ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＡｌｕｍｉｎｕｍＳｈａｐｅＣａｓｔｉｎｇ
Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：Ｆｒｏｍ
ＡｌｌｏｙＤｅｓｉｇｎ
ｔｏ
ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓ：ＳａｎＡｎｔｏｎｉｏ．ＴＸ，２００６：７３—８０．
［８］ＷａｎｇＹｉｎｇｃｈｕｎ，ＷａｎｇＷｅｉｍｉｎｇ，Ｌｉ
Ｄａｙｏｎｇ，ｅｔａ１．
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆｃｏｏｌｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ
ｉｎｍｏｌｄ
ｄｕｒｉｎｇ
ＬＰＤＣ
ｏｆｍａｇｎｅｓｉｕｍｗｈｅｅｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
Ｓｈａｎｇｈａｉ
ＪｉｏｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００５，３９（７）：１０８２—１０８５．
［９］
刘强，蒋玉明，杨屹，等．铸件铸造过程应力场数值模拟［Ｊ］．热加工工艺，２００２（５）：５２—５４．
ＬＩＵＱｉａｎｇ，ＪＩＡＮＧ
Ｙｕ－ｍｉｎｇ，ＹＡＮＧＹｉ，ｅｔａ１．Ｎｕｍｅｒｉ－
ｃａｌ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｏｆ
ｓｔｒｅｓｓ
ｆｉｅｌｄ
ｄｕｒｉｎｇｃａｓｔｉｎｇｆｏｕｎｄｒｙ
ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．Ｈｏｔ
Ｗｏｒｋｉｎｇ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２（５）：５２—
５４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
万
方数据［１０］熊守美，许庆彦，康进武．铸造过程模拟仿真技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４：２８１—２８７．
［１１］谭建荣，吴培宁，张树有，等．压铸件凝固过程温度场
变化的计算机模拟［Ｊ］．农业机械学报，２００２（２）：１０５
—１０８．ＴＡＮ
Ｊｉａｎ—ｔｏｎｇ，ＷＵＰｅｉ－ｎｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＳｈｕ－ｙｏｕ，ｅｔａ１．
Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｉｎ
ａ
ｄｉｅｐｒｅｓｓｅｄ
ｃａｓｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅ
ＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｇｒｉ－
ｃｕｌｔｕｒａｌ
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２００２（２）：１０５—１０８．（ｉｎ
Ｃｈｉ—
ｎｅｓｅ）
［１２］
赵玉涛，陈刚．高性能、低成本轻合金车轮的研究现状与发展趋势［Ｊ］．摩托车技术，２００６（１１）：４０—
４３．
ＺＨＡＯＹｕ—ｔａｏ，ＣＨＥＮＧａｎｇ．Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔ
ｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆ
ｒｅ－
ｓｅａｒｃｈ
ａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ａｎｄｌｏｗ—ｃｏｓｔｌｉｇｈｔａｕｏｙｗｈｅｅｌ［Ｊ］．Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ—
ｇＹ，２００６（１１）：４０—４３．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
［１３］赵玉涛．高强度、高延性铝合金轮毂材料的研究［Ｊ］．江苏理工大学学报，１９９６，１７（６）：６８—７２．
ＺＨＡＯＹｕ－ｔａｏ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ
ｔｈｅｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｈｉｇｈｄｕｅ－
ｔｉｌｅａｌｕｍｉｎｕｍｗｈｅｅｌ
ｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕ
Ｕ－
ｎｉｖｅｒｓｉ秒ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ
ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９６，１７（６）：６８
—７２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
［１４］周玉辉，吴卫．压铸过程温度场的数值模拟及其
在ＰｒｏＣＡＳＴ中的应用［Ｊ］．电加工与模具，２００５（５）：
４２—４５．ＺＨＯＵ
Ｙｕ—ｈｕｉ．ＷＵＷｅｉ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ
ｔｅｍ－
ｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｄｉｅｓａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎＰｒｏＣＡＳＴ
［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇａｎｄＭｏｕｌｄ，２００５（５）：４２—４５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
［１５］
韩雄伟，吴卫．铝合金压铸模具温度场数值分析［Ｊ］．常熟理工学院学报，２００７，２１（４）：８０—８１．
ＨＡＮ
Ｘｉｏｎｇ—ｗｅｉ，ＷＵＷｅｉ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｅｒｎ－
ｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ
ｄｉｅｃａｓｔｉｎｇ
ｄｉｅｓ［Ｊ］．
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈａｎｇｓｈｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，２１
（４）：８０—８１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
（责任编辑徐红星）
含有残余应力的铝合金轮毂应力分布状态分析
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
赵玉涛， 苏大为， ZHAO Yu-tao， SU Da-wei江苏大学,材料科学与工程学院,江苏,镇江212013
江苏大学学报（自然科学版）
JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)2008,29(3)
参考文献(15条)
1.韩雄伟;吴卫 铝合金压铸模具温度场数值分析[期刊论文]-常熟理工学院学报 2007(04)
2.周玉辉;吴卫 压铸过程温度场的数值模拟及其在ProCAST中的应用[期刊论文]-电加工与模具 2005(05)3.赵玉涛 高强度、高延性铝合金轮毂材料的研究 1996(06)
4.赵玉涛;陈刚 高性能、低成本轻合金车轮的研究现状与发展趋势[期刊论文]-摩托车技术 2006(11)5.谭建荣;吴培宁;张树有 压铸件凝固过程温度场变化的计算机模拟[期刊论文]-农业机械学报 2002(02)
6.Li Peifeng;Lee Peter D;Maijer Daan M Through process modeling of aluminum alloy castings relatingcasting defects to fatigue performance 2006
7.Li Xinggang;Xie Shuisheng;Jiang Yunxi Rigid-visco-plastic finite element analysis on semi-solidthixoforming automobile wheel of AZ91D magnesium alloy 2004
8.Xiong Shoumei;Lau F;Lee W B Numerical methods to improve the computational efficiency of thermalanalysis for the die casting process[外文期刊] 2003(1-3)
9.Sulaiman S;Hamouda A M S;Abedin S Simulation of metal filling progress during the casting process[外文期刊] 2000(08)
10.Jolly M R Cost benefits of solidification simulation to foundry users 1994(01)11.刘强;蒋玉明;杨屹 铸件铸造过程应力场数值模拟[期刊论文]-热加工工艺 2002(05)
12.Wang Yingchun;Wang Weiming;Li Dayong Simulation analysis of cooling capacity in mold during LPDCof magnesium wheel[期刊论文]-Journal of Shanghai Jiaotong University 2005(07)
13.Li Peifeng;Maijer Daan M;Lindley Trevor C A validated model of the cyclic stress state of an A356automotive wheel and its impact on fatigue life 200614.熊守美;许庆彦;康进武 铸造过程模拟仿真技术 2004
15.赵玉涛;中国汽车工业协会摩托车分会车轮委员会 铝合金车轮制造技术 2004
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