Porsche汽车应用FLOW-3D优化铸件设计及工艺条件

数据源：2014年德国用户大会 Porsche

一、前言

汽车产业正朝向于发展电动汽车、更安全、更舒适、更酷炫的外型、更高性能的车子，但因为这些因素可能使汽车的重量加重，造成更多温室气体的排放，对环境形成破坏，又因各国目前针对环境都有订定相关法规，让汽车业者不得不思考要如何在轻量化的情况下完成上述的几项发展，所以轻量化结构是未来的关键技术。

图1 汽车产业的发展目标

Porsche汽车针对轻量化的技术提出了一体化铸件的方式来改善汽车结构与重量，其优点上有高承重设计、高结构强度、高集成潜力（降低成本）、近净形生产（压铸）、及轻质结构的巨大潜力，但却也须面临其他衍生的挑战，如：铸件以刚性为主会造成伸长率降低，不能在车辆直接碰撞区域使用、非常复杂的设计和开发过程及铸造工艺参数的不确定性，故本文将研究针对在短时间内开发复杂铸件的方法进行探讨。

图2 一体化铸件

二、研究方法

考虑到设计和生产技术的工艺条件，通过结构优化提高铸造零件的产品质量，因为结构力学和生产技术相互影响，在结构中铸件开发过程使用拓扑和形状优化，并提出有建设性的工艺条件，来将铸件结构优化以及优化目标和优化策略的推导，例如：铸件的铸造模拟以确定合适的方案和参数以及优化目标的形成（缺陷：气蚀、孔隙率......）、使用仿真软件来计算结构-机械（有限元网格）和铸造参数，以弹簧支柱安装为例，铸件目标为满足铸件的刚度和工作负载的要求以尽可能低的重量获得较好的可铸性、在铸件品质中取决于铸件的填充和凝固、缺陷和结构力学取决于几何形状、减少缺陷提高铸件质量、集成铸造仿真开发及压铸过程的技术影响。
本文选用的铸件为Panamera G1 的车壳，在几何中有星型筋及单一的筋条，整体形状较为复杂，考虑到铸件的几何复杂有其他变量不利进行研究，所以会先使用基础模型(如图3)进行参数研究，通过表1进行质量判定，评估结构强度及铸件质量后，整理出一系列的相关流程后(如图4)，再使用Panamera G1 的车壳来探讨(如图5)。

图3 基础模型参数

表1 铸件品质判断

图4 研究流程图

图5 Panamera G1 的车壳

三、分析设置

通过前章节的流程进行基础模型的研究(如图6)，将零件通过应力分析软件计算出机械性能并分区检视筋的效应整理出规则，应用于实际零件中，再绘制流道及渣包完成铸件本体，后续通过FLOW-3D进行充型及凝固的模拟，通过卷气、氧化物、缩孔…等缺陷判断来进行优化。

图6 基础模型分区研究分析

图7 零件优化流程

四、研究结果

基础模模型研究主要是探讨筋的角度、数量及高度，由图8的分析结果可以看到等角度分配的筋在压铸时有卷气存在，由图9的分析结果可以看到减重22%仍然可以达到一定要求的机械强度，并且铸造时无明显缺陷存在。

图8 基础模型筋不同夹角的分析结果

图9 基础模型不同减重比率的分析结果

依据基础模型的研究结果进行铸件的优化，由图10可看出原始设计在荷重时有应力集中的现象，经过筋条的优化后有明显的改善，最终减重了8.5%仍然有高强度的机械性能及良好的铸造性。

图10 铸件分析结果

五、结论

1. 在本文的研究中开发方法能够在开发的初期阶段设计出结构件的“最佳”设计。该方法可提升铸件质量、可铸性和刚性的要求。
2.铸造性是使用质量指数来评估，该指数依据典型的铸造缺陷来自填充和凝固，例如卷气、冷接纹、氧化物夹杂、缩孔或其他孔隙。
3.开发流程可以适应不同的铸造工艺，例如压铸、砂模铸造和金属型铸造以及铝或镁等不同的材料。