基于ProCAST的汽车轮毂绿色生产研究

钟强强 王晶

摘 要：绿色发展在工业中的直观体现是建设能源节约型、环境友好型发展模式，而传统的汽车轮毂企业轮毂更新周期长，试生产时废品率高，极大地增加环境负担，不符合绿色发展的理念。本文应用 CAE软件（ProCAST）对汽车轮毂的铸造凝固过程进行仿真，通过固液相分布情况、温度场及Niyam判据等的分析，预测产品铸造缺陷的产生及分布情况，并介绍如何依据此分析结果对轮毂的设计和生产过程进行优化，以减少资源与人力的浪费，使轮毂的生产过程更加低碳、环保、可持续，让企业更好地实现绿色发展。

关键词：绿色发展;轮毂;ProCAST ;企业

引言

随着经济水平的不断提高，人们对环境保护意识也不断增强，为了更好地保护环境，十八届五中全会着重强调了“绿色发展”的理念。绿色发展包括政治、经济、文化、环境等多个方面的内容，绿色发展在工业中的直观体现便是建设能源节约型、环境友好型发展模^[1～2]。传统工业模式高速发展之下，给环境与资源带来了沉重压力，发展模式与资源环境间的矛盾愈加突出，绿色发展是在传统发展模式基础上的一种创新，是一种以生态环境容量和资源承载力为基础，以人的健康和可持续发展为目标，协调经济系统与环境的平衡，并以此为核心内容的一种新型发展模式。

铝合金汽车轮毂的制造需消耗大量的资源，且因轮毂形状的多样性，废品率居高不下，不符合绿色发展的理念。如今汽车数量的快速增加，越来越多的人拥有自己的汽车，因此人们开始追求汽车轮毂的装饰作用，强调个性及与众不同。这表明传统汽车轮毂批量生产的模式将因轮毂款式的日新月异而转变成“灵活多变”小批量生产方式，这也意味着为适应市场变革企业需缩短汽车轮毂制造与研发周期，并且保证成品率。

为实现这个目标，在产品设计阶段必须实现优化，减少不必要的试生产环节，可运用CAE软件ProCAST对汽车轮毂铸造凝固过程进行仿真模拟，通过分析充型过程中铝液温度场变化、凝固云图及Niyama云图等，可预测铸造过程的缺陷分布情况，避免因外观设计人员不能全面地考虑铸造工艺及材料性能而出现产品造型与铸造工艺上的矛盾，导致废品率的增加。因此新产品研发前进行CAE软件进行预测分析，为实际生产提供理论支撑及改进建议， 可实现汽车轮毂生产企业的绿色发展，减少对环境和资源的负担。

一、ProCAST于轮毂绿色生产中的应用模式

ProCAST属于CAE软件，自身CAD建模能力并不突出，因此一般情况下需事先创建CAD模型，并以此为基础进行仿真分析。

（一）CAD模型的构建

本文应用UG NX10.0软件创建汽车轮毂及其模具模型，如图1、图2所示。企业在进行新产品研发或加工第三方的产品时都会创建好CAD模具，同时也会创建好模具的CAD模型，因此实际生产中可对这些CAD模型进行简单处理后直接导入ProCAST。

（二）铸造CAE分析

ProCAST可依据实际的合金成分自定义材料数据库，生成合金的相图、凝固曲线及粘度曲线等，并依据此对铸造凝固过程进行模拟，分析该过程中温度场的变化、Fraction Solid、Niyam判据和Shrinkage porosity等。图3是合金液铸造过程的仿真模拟，应用ProCAST软件能直观地模拟合金液的充型过程，观察该过程中是否发生湍流、紊流，初步预测缩松缩孔等缺陷的分布情况;图4是充型完成后凝固过程中合金固液相分布情况，图中红色与黄色区域为液相，灰色区域为固相，从中可观察到中心浇口处及轮辐处凝固速度较慢，液相比例高，基本实现顺序凝固，避免因轮辐等狭窄区域提前凝固而造成浇不足或补缩不及时的情况;凝固过程中股液相分布情况结合该过程中温度场的分布情况可更准确地判断是否会出现因温度分布不合理而出现的铸造缺陷，此次凝固仿真过程合金液温度分布情况如图5所示，其中红色域表示其温度高于液相线，橘色区域温度略低于液相线但高于固相线，意味着该区域内开始出现固相，属于固液共存状态，黄色区域温度低于固相线，这表明该区域合金全部转变为固相;图6是凝固时的Niyam判据情况，Niyama判据是新山英辅等人以温度梯度法为基础提出的，认为其值越小出现缩松缩孔的倾向越大，因此从图中可发现轮辋处及浇铸中心的冒口处容易出现缩松缩孔。

二、ProCAST的应用意义

通过对新研发的产品或第三方设计的产品进行CAE分析，可推测铸造凝固过程中各种缺陷的产生原因，有针对性地进行调整，避免盲目地通过试生产进行检验而导致人力及资源的大量浪费。例如：依据ProCAST对充型过程进行模拟的，可判断外观设计人员所设计的新产品是否适合生产，若模拟充型过程中发现大量的湍流、紊流情况，这表明设计时轮辐、轮辋等区域的形状设计不合理，必须进行优化，否则在实际铸造生产中废品率必定大幅度增加;依据凝固过程中合金固液相分布情况及温度场分布情况，可预测实际浇铸后凝固时是否会出现因温度场分布不合理或轮毂形状尺寸设计不合理而导致的部分区域提前凝固导致后续合金液充型不满或补缩不及时;依据凝固时的Niyam判据的情况可预测轮毂实际浇铸过程中各区域的缩松缩孔情况，通过优化轮毂的结构、模具中水冷空冷的分布情况及浇铸时的速度压力等，减少铸造凝固时的缩松缩孔倾向。

更合理的设计、更有效的工艺就意味着更少的浪费，也意味着更短的生产周期、更好的效益，同时还意味着企业的生产更加地环境友好，企业在绿色发展的道路上走地更远。

三、总结

绿色发展是传统工业前进的方向也是必然要求，尤其是汽车轮毂生产企业这类对环境影响较大的企业，有效地减少生产过程中对资源的浪费，能在提升企业效益的同时更好地实践低碳、环保以及可持续发展。

通过ProCAST软件对新设计的轮毂产品进行铸造仿真，分析铸造与凝固过程中的各种现象与参数，可以为产品设计以及实际生产过程提供更具针对性的优化建议，减少试生产的次数，提升成品率，同时缩短生产周期提升企业效益，增强企业的竞争力，并且为企业的绿色发展打下良好的基础。

参考文献

[1] 邬晓霞，张双悦.“绿色发展”理念的形成及未来走势[J].经济问题，2017（2）：30-34.

[2] 黃娟.科技创新与绿色发展的关系——兼论中国特色绿色科技创新之路[J].新疆师范大学学报（哲学社会科学版），2017，38（2）：33-41.