精鑄件CAE技術(shù)集成應(yīng)用探討-2011年會版

1、精鑄件CAE技術(shù)集成應(yīng)用探討東風精密鑄造有限公司 馬波 【摘要】 本文介紹了精鑄行業(yè)CAE模擬仿真常用的軟件及工作流程，通過一個典型案例描述了精鑄件在設(shè)計開發(fā)過程中集成應(yīng)用鑄造工藝CAE、結(jié)構(gòu)分析CAE兩種模擬仿真技術(shù)，在提高模擬仿真一致率的基礎(chǔ)上，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計、工藝出品率提升設(shè)計兩方面技術(shù)的和諧統(tǒng)一?！娟P(guān)鍵詞】精密鑄造 CAE技術(shù) 集成應(yīng)用 產(chǎn)品設(shè)計 工藝開發(fā)進入21世紀，各類專業(yè)的計算機模擬仿真技術(shù)日趨成熟。在鑄造領(lǐng)域，國際上較知名的CAE模擬軟件有Procast、Magmasoft等，國內(nèi)知名的如清華大學Ftstar、華中科技大學華鑄CAE以及北方恒利的CastsoftCAE等

2、，這些軟件通過對液態(tài)金屬溫度場、流動場、應(yīng)力場的模擬仿真，預(yù)測鑄件縮松縮孔、卷氣夾渣、裂紋傾向等缺陷；而對于汽車總成及零部件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析，常利用ANSYS、Abaqus、Hyperworks等軟件進行模態(tài)、剛度、疲勞、頻率響應(yīng)分析，預(yù)測產(chǎn)品在一定工況下的服役能力，分析結(jié)構(gòu)是否會發(fā)生共振、斷裂失效等。但汽車主機廠采用ANSYS、Hyperworks等軟件指導輕量化方案設(shè)計和鑄造企業(yè)利用Procast、Magmasoft指導鑄造工藝方案開發(fā)是分開進行的，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計與鑄造工藝方案設(shè)計之間缺乏有效的溝通，尤其是結(jié)構(gòu)CAE分析時通?；诶硐氲臒o缺陷模型，并沒有考慮鑄造工藝潛在的縮松縮孔缺陷，孤

3、立的結(jié)構(gòu)CAE分析勢必帶來極高的產(chǎn)品使用風險。在與主機企業(yè)建立聯(lián)合設(shè)計開發(fā)模式下，東風精密鑄造有限公司通過集成應(yīng)用結(jié)構(gòu)CAE和鑄造CAE兩種模擬分析技術(shù)，在滿足客戶使用需求的前提下，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化和工藝的最優(yōu)化。1、 精鑄件CAE技術(shù)集成化應(yīng)用過程集成應(yīng)用鑄造CAE分析與結(jié)構(gòu)CAE分析有兩種思路，一是將鑄造CAE分析的結(jié)果（含縮孔、鑄造應(yīng)力等缺陷）直接導入結(jié)構(gòu)CAE分析，以預(yù)測鑄件（含缺陷）在各種工況下的服役能力。另一種思路是將結(jié)構(gòu)CAE分析預(yù)測的危險斷面與鑄造CAE分析的缺陷位置進行比較，如果兩者位置靠近或重疊，則斷面出現(xiàn)失效的可能性較大，需重新調(diào)整結(jié)構(gòu)方案或鑄造工藝方案。在實際應(yīng)用中，

4、由于第一種思路涉及Procast輸出的缺陷模型文件不能直接導入ANSYS或Hyperworks進行模擬，雖經(jīng)過重新設(shè)置、對正坐標后可以導入，但由于缺陷模型邊角尺寸依賴procast模擬階段的網(wǎng)格大小，最終的缺陷模型容易是邊角突出的多面體，這種結(jié)構(gòu)如果直接導入ANSYS或Hyperworks進行模擬，勢必在較低的載荷下就因尖角應(yīng)力集中而發(fā)生失效，所以在導入前需對缺陷模型網(wǎng)格進行重新細化，具體細化過程與參數(shù)研究將另行文論述。本文以某車型油缸支架為例，分步說明精鑄件CAE技術(shù)集成應(yīng)用的第二種思路。2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計是精鑄件設(shè)計開發(fā)過程中用到CAE技術(shù)的第一個環(huán)節(jié)，其目的是為了在滿足安

5、全使用的前期下盡量地減輕零件重量。 下圖1是某油缸支架砂型鑄造結(jié)構(gòu)。在東風精鑄，通常有“經(jīng)驗優(yōu)化法”（又稱“輕量化設(shè)計八大原則”【1】）和“拓撲優(yōu)化法”兩種方式實現(xiàn)輕量化設(shè)計。圖2是依靠經(jīng)驗優(yōu)化法進行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，重點對原結(jié)構(gòu)中的大平面通過挖孔、減薄并布置加強筋等方式實現(xiàn)，優(yōu)化前后產(chǎn)品重量減輕0.95kg； 圖1 優(yōu)化前鑄件結(jié)構(gòu)5.37kg QT450-10 圖2 經(jīng)驗優(yōu)化4.42kg ZG310-570方式二，利用Hyperworks拓撲優(yōu)化功能，將油缸支架的裝配空間（安裝四個螺栓的兩個端口、銷軸孔端）設(shè)置為非設(shè)計區(qū)，其余地方定義為設(shè)計區(qū)（即目標優(yōu)化區(qū)），拓撲優(yōu)化計算結(jié)果如圖3。依據(jù)計算結(jié)果，

6、此時需同時考慮結(jié)構(gòu)的輕量化目的和后期的鑄造工藝性能，進行形狀優(yōu)化，優(yōu)化設(shè)計結(jié)果如圖4，重量減輕2.1kg.非設(shè)計空間 圖3 設(shè)計空間的拓撲優(yōu)化 圖4 形狀優(yōu)化后 3.27kg ZG410-700 值得一提的是，產(chǎn)品輕量化設(shè)計是對結(jié)構(gòu)、對材料性能的一次重新審視，傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計很難有效地將高性能材料應(yīng)用到新方案中，而基于材料屬性為模擬邊界的拓撲優(yōu)化CAE技術(shù)，卻能迅速準確地將不同材料的優(yōu)化方案提供給設(shè)計人員。2.2 結(jié)構(gòu)安全仿真計算 為了確認優(yōu)化結(jié)構(gòu)是否能滿足安全使用要求，需利用ANSYS對兩種優(yōu)化方案做靜強度CAE對比分析。下圖5設(shè)置了油缸支架靜強度分析的模型工況，其中采用殼單元模擬相連接的車架

7、部位，中間大銷軸施力預(yù)設(shè)5×104N向下拉力。圖5 油缸支架靜強度CAE工況設(shè)置272.05162.05173.06175.73178.26圖6 兩種結(jié)構(gòu)靜強度CAE分析應(yīng)力分布云圖圖6所示為兩種結(jié)構(gòu)方案在50KN載荷下的應(yīng)力分布云圖，可見兩種方案均能滿足安全使用要求。為進一步預(yù)估結(jié)構(gòu)所能承受的最大載荷，在塑性變形階段，利用ASNYS非線性分析作夾逼試算，比較結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值是否超過材料的抗拉極限真應(yīng)力，從而確定結(jié)構(gòu)斷裂載荷范圍，如下表1：零件材質(zhì)零件重量CAE安全系數(shù)夾逼計算斷裂載荷方案一（經(jīng)驗）ZG310-5704.42kg3.2200KN230KN方案二（拓撲）ZG410-7003

8、.27kg4.1250KN280KN通過上述分析，在給定工況下，拓撲優(yōu)化方案重量更輕，制造成本更低廉，因此后期將采用方案二所示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行鑄造工藝方案設(shè)計和鑄造CAE分析。2.3 鑄造工藝方案優(yōu)選精密鑄造企業(yè)的鑄造工藝方案設(shè)計至少應(yīng)考慮三方面因素，一是盡量多的減少鑄造缺陷；二是盡量高的提高工藝出品率；三是盡量不要讓缺陷出現(xiàn)在服役時應(yīng)力集中部位。鑄造CAE技術(shù)能讓工藝人員在開模試制前，進行盡可能多的虛擬方案試驗，減少在現(xiàn)場反復(fù)的模具試制，同時也減少了修改模具造成的時間浪費和模具費損失。上述油缸支架在開模前設(shè)計下圖7所示三種澆注系統(tǒng)。出品率65%出品率81%出品率87%圖7 油缸支架三種澆注系統(tǒng)方

9、案及出品率對三種方案，設(shè)置相同的模擬分析邊界條件，利用Procast分別進行工藝性分析。根據(jù)東風精鑄內(nèi)控的模擬分析評級標準要求，該產(chǎn)品重點模擬縮松縮孔缺陷（圖中粉紅色為預(yù)測縮孔），結(jié)果如下：圖8 三種工藝方案縮孔模擬預(yù)測情況 可以看出，方案一雖然出品率最高，但縮孔也較多，尤其是圈中所示區(qū)域為結(jié)構(gòu)CAE模擬的應(yīng)力峰值區(qū)，此區(qū)域的縮孔勢必進一步加劇局部失效風險，因此淘汰；方案二盡管回避了服役時應(yīng)力峰值區(qū)域的縮孔缺陷，但銷孔（需加工）附近出現(xiàn)缺陷較多，出品率也較低，因此也淘汰；方案三為1組3件，工藝出品率達到較高水平，并且鑄件本體縮孔出現(xiàn)幾率很小，因此，可選作樣件生產(chǎn)方案。2.4 實物測試確認結(jié)構(gòu)“

10、大膽設(shè)想，小心求證”。對精鑄輕量化設(shè)計方案，在CAE虛擬驗證合格的前提下，還應(yīng)在試驗機上進行相應(yīng)的實物測試，以進一步確認結(jié)構(gòu)的可靠性。東風精鑄的實物測試一方面是將零件按服役工況進行分解，進行單向或多向靜強度試驗、疲勞性能試驗；另一方面是參與總成的臺架試驗或整車路試。 圖9 實物測試裝夾（左）與零件失效結(jié)果（右，圈內(nèi)為斷裂部位）按工藝方案三生產(chǎn)該油缸支架，并取樣2件，在電液伺服試驗機上進行單向靜強度測試，如圖9。最終實物測試結(jié)果與CAE模擬結(jié)論一致：實際加載50KN時零件未發(fā)生失效，結(jié)構(gòu)符合安全裝車使用要求；繼續(xù)加載，至265.7KN、278.5KN時，樣件分別發(fā)生斷裂，斷裂部位、實際承載極限與CAE模擬預(yù)測一致（比較圖6和表1）。3、 結(jié)論1) 精鑄企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)階段導入模擬仿真技術(shù)，能實現(xiàn)與主機廠技術(shù)共軌，提高產(chǎn)品開發(fā)效率；2) 對于鑄件而言，集成應(yīng)用結(jié)構(gòu)CAE模擬和鑄造CAE兩種模擬方法，能有效提高模擬與實測的一致率，增強模擬仿真結(jié)果的可靠性；3) 集成應(yīng)用兩種模擬技術(shù)，不僅在結(jié)構(gòu)分析時考慮鑄造工藝性，而且在鑄造工藝設(shè)計時考慮結(jié)構(gòu)強度要求，兩者交互應(yīng)用，使精鑄件結(jié)構(gòu)更優(yōu)、工藝更合理，實現(xiàn)了精鑄件結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計與工藝出品率提升設(shè)計兩者的和諧統(tǒng)一?！緟⒖嘉墨I】1、 杜孔明