AZ91D镁合金集成计算平台构建及轮毂低压铸造工艺优化

摘要

我国镁资源丰富，原镁产量占世界80%以上。镁合金具有密度低（工业纯镁密度为1.74g/cm3，约为铝合金的2/3，钢铁的1/4）、比强度和比刚度高等一系列优点，被誉为“21世纪绿色环保工程材料”之一，是实际应用中最轻质的金属工程结构材料。目前镁合金研发通常采取“试错法”来优化成分和工艺，导致研发周期长、生产成本高，不利于高性能镁合金及其结构件的快速开发与应用。因此，采用新型高效的研发模式是推动我国镁产业升级的迫切需求。 本文以AZ91D镁合金铸造过程组织/缺陷模拟和性能预测为研究对象，依托有限元软件对T型件重力浇铸产生的缺陷、微观组织和性能进行分析，其中铸造组织采用ProCAST软件的元胞自动机模型进行模拟，组织性能预测应用MATLAB软件的人工神经网络模型进行分析。基于SiPESC对不同CAE模块进行数据传递并实现铸造工艺的自动优化：首先将ProCAST软件与SiPESC.OPT联合，实现工艺-缺陷/组织的快速优化模拟预测；随后将MATLAB软件与SiPESC.OPT联合，实现基于人工神经网络模型的组织/缺陷-性能模拟预测；然后在两个求解模块之间数据传输的基础上，将CAD模型数据输入到工艺-组织/缺陷-性能模拟的全流程仿真计算平台上运行，实现了工艺-组织/缺陷-性能的快速优化，最后根据已有的计算结果对该平台的计算结果进行对比验证。本研究的目的是建立镁合金工艺-组织/缺陷-性能的全流程集成计算平台，缩短研发试制周期，降低研制成本和提高铸件质量，为实现高性能镁合金铸件的制备提供条件。 为了实现不同分析软件之间的数据交换，并在后期方便用户操作，本文基于开源软件SiPESC开发了CAE分析集成平台，专门构建用于铸造工艺-组织-性能研究的计算模块，并完成了相应的界面设计。最后通过该模块对镁合金轮毂低压压铸工艺进行优化，将浇注温度（680℃～720℃）及充型压力（4.3KPa～8.0KPa）作为设计变量，镁合金轮毂的缺陷以及二次枝晶间距为目标变量，获得在浇注温度689℃，充型压力6.5KPa的工艺条件下，优化前后缺陷值及二次枝晶间距分别由4.1%、88.5μm降低至2.1%和81.2μm，从而实现了AZ91D镁合金轮毂低压压铸工艺的多目标自动优化。

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