精铸件CAE技术集成应用探讨-2011年会版

精铸件精铸件 CAE 技术集成应用探讨技术集成应用探讨 东风精密铸造有限公司 马波 摘要 本文介绍了精铸行业 CAE 模拟仿真常用的软件及工作流程 通过一个典型案例描述了 精铸件在设计开发过程中集成应用铸造工艺 CAE 结构分析 CAE 两种模拟仿真技术 在提高模 拟仿真一致率的基础上 最终实现结构轻量化设计 工艺出品率提升设计两方面技术的和谐统一 关键词 精密铸造 CAE 技术 集成应用 产品设计 工艺开发 进入 21 世纪 各类专业的计算机模拟仿真技术日趋成熟 在铸造领域 国际上 较知名的 CAE 模拟软件有 Procast Magmasoft 等 国内知名的如清华大学 Ftstar 华中科技大学华铸 CAE 以及北方恒利的 CastsoftCAE 等 这些软件通过对 液态金属温度场 流动场 应力场的模拟仿真 预测铸件缩松缩孔 卷气夹渣 裂 纹倾向等缺陷 而对于汽车总成及零部件产品的结构分析 常利用 ANSYS Abaqus Hyperworks 等软件进行模态 刚度 疲劳 频率响应分析 预测产 品在一定工况下的服役能力 分析结构是否会发生共振 断裂失效等 但汽车主机厂采用 ANSYS Hyperworks 等软件指导轻量化方案设计和铸造企业 利用 Procast Magmasoft 指导铸造工艺方案开发是分开进行的 产品结构轻量化设 计与铸造工艺方案设计之间缺乏有效的沟通 尤其是结构 CAE 分析时通常基于理想 的无缺陷模型 并没有考虑铸造工艺潜在的缩松缩孔缺陷 孤立的结构 CAE 分析势 必带来极高的产品使用风险 在与主机企业建立联合设计开发模式下 东风精密铸造有限公司通过集成应用 结构 CAE 和铸造 CAE 两种模拟分析技术 在满足客户使用需求的前提下 实现了 结构的轻量化和工艺的最优化 1 精铸件精铸件 CAE 技术集成化应用过程技术集成化应用过程 集成应用铸造 CAE 分析与结构 CAE 分析有两种思路 一是将铸造 CAE 分析的 结果 含缩孔 铸造应力等缺陷 直接导入结构 CAE 分析 以预测铸件 含缺陷 在各种工况下的服役能力 另一种思路是将结构 CAE 分析预测的危险断面与铸造 CAE 分析的缺陷位置进行比较 如果两者位置靠近或重叠 则断面出现失效的可能 性较大 需重新调整结构方案或铸造工艺方案 在实际应用中 由于第一种思路涉及 Procast 输出的缺陷模型文件不能直接导入 ANSYS 或 Hyperworks 进行模拟 虽经过重新设置 对正坐标后可以导入 但由于 缺陷模型边角尺寸依赖 procast 模拟阶段的网格大小 最终的缺陷模型容易是边角突 出的多面体 这种结构如果直接导入 ANSYS 或 Hyperworks 进行模拟 势必在较低 的载荷下就因尖角应力集中而发生失效 所以在导入前需对缺陷模型网格进行重新 细化 具体细化过程与参数研究将另行文论述 本文以某车型油缸支架为例 分步说明精铸件 CAE 技术集成应用的第二种思路 2 1 结构优化设计结构优化设计 产品优化设计是精铸件设计开发过程中用到 CAE 技术的第一个环节 其目的是 为了在满足安全使用的前期下尽量地减轻零件重量 下图 1 是某油缸支架砂型铸造结构 在东风精铸 通常有 经验优化法 又称 轻量化设计八大原则 1 和 拓扑优化法 两种方式实现轻量化设计 图 2 是 依靠经验优化法进行的结构优化 重点对原结构中的大平面通过挖孔 减薄并布置 加强筋等方式实现 优化前后产品重量减轻 0 95kg 图 1 优化前铸件结构 5 37kg QT450 10 图 2 经验优化 4 42kg ZG310 570 方式二 利用 Hyperworks 拓扑优化功能 将油缸支架的装配空间 安装四个螺 栓的两个端口 销轴孔端 设置为非设计区 其余地方定义为设计区 即目标优化 区 拓扑优化计算结果如图 3 依据计算结果 此时需同时考虑结构的轻量化目的 和后期的铸造工艺性能 进行形状优化 优化设计结果如图 4 重量减轻 2 1kg 图 3 设计空间的拓扑优化 图 4 形状优化后 3 27kg ZG410 700 非设计空间 值得一提的是 产品轻量化设计是对结构 对材料性能的一次重新审视 传统 的经验设计很难有效地将高性能材料应用到新方案中 而基于材料属性为模拟边界 的拓扑优化 CAE 技术 却能迅速准确地将不同材料的优化方案提供给设计人员 2 2 结构安全仿真计算结构安全仿真计算 为了确认优化结构是否能满足安全使用要求 需利用 ANSYS 对两种优化方案 做静强度 CAE 对比分析 下图 5 设置了油缸支架静强度分析的模型工况 其中采用 壳单元模拟相连接的车架部位 中间大销轴施力预设 5 104N 向下拉力 图 5 油缸支架静强度 CAE 工况设置 图 6 两种结构静强度 CAE 分析应力分布云图 图 6 所示为两种结构方案在 50KN 载荷下的应力分布云图 可见两种方案均能 满足安全使用要求 为进一步预估结构所能承受的最大载荷 在塑性变形阶段 利 162 05 173 06 178 26 175 73 272 05 用 ASNYS 非线性分析作夹逼试算 比较结构应力峰值是否超过材料的抗拉极限真 应力 从而确定结构断裂载荷范围 如下表 1 零件材质零件重量CAE 安全系数夹逼计算断裂载荷 方案一 经验 ZG310 5704 42kg3 2200KN 230KN 方案二 拓扑 ZG410 7003 27kg4 1250KN 280KN 通过上述分析 在给定工况下 拓扑优化方案重量更轻 制造成本更低廉 因 此后期将采用方案二所示产品结构进行铸造工艺方案设计和铸造 CAE 分析 2 3 铸造工艺方案优选铸造工艺方案优选 精密铸造企业的铸造工艺方案设计至少应考虑三方面因素 一是尽量多的减少 铸造缺陷 二是尽量高的提高工艺出品率 三是尽量不要让缺陷出现在服役时应力 集中部位 铸造 CAE 技术能让工艺人员在开模试制前 进行尽可能多的虚拟方案试验 减 少在现场反复的模具试制 同时也减少了修改模具造成的时间浪费和模具费损失 上述油缸支架在开模前设计下图 7 所示三种浇注系统 图 7 油缸支架三种浇注系统方案及出品率 对三种方案 设置相同的模拟分析边界条件 利用 Procast 分别进行工艺性分析 根据东风精铸内控的模拟分析评级标准要求 该产品重点模拟缩松缩孔缺陷 图中 粉红色为预测缩孔 结果如下 图 8 三种工艺方案缩孔模拟预测情况 出品率 87 出品率 65 出品率 81 可以看出 方案一虽然出品率最高 但缩孔也较多 尤其是圈中所示区域为结 构 CAE 模拟的应力峰值区 此区域的缩孔势必进一步加剧局部失效风险 因此淘汰 方案二尽管回避了服役时应力峰值区域的缩孔缺陷 但销孔 需加工 附近出现缺 陷较多 出品率也较低 因此也淘汰 方案三为 1 组 3 件 工艺出品率达到较高水 平 并且铸件本体缩孔出现几率很小 因此 可选作样件生产方案 2 42 4 实物测试确认结构实物测试确认结构 大胆设想 小心求证 对精铸轻量化设计方案 在 CAE 虚拟验证合格的前 提下 还应在试验机上进行相应的实物测试 以进一步确认结构的可靠性 东风精铸的实物测试一方面是将零件按服役工况进行分解 进行单向或多向静 强度试验 疲劳性能试验 另一方面是参与总成的台架试验或整车路试 图 9 实物测试装夹 左 与零件失效结果 右 圈内为断裂部位 按工艺方案三生产该油缸支架 并取样 2 件 在电液伺服试验机上进行单向静 强度测试 如图 9 最终实物测试结果与 CAE 模拟结论一致 实际加载 50KN 时零 件未发生失效 结构符合安全装车使用要求 继续加载 至 265 7KN 278 5KN 时 样件分别发生断裂 断裂部位 实际承载极限与 CAE 模拟预测一致 比较图 6 和表 1 3 结论结论 1 精铸企业在产品设计开发阶段导入模拟仿真技术 能实现与主机厂技术共轨 提高产品开发效率 2 对于铸件而言 集成应用结构 CAE 模拟和铸造 CAE 两种模拟方法 能有效提 高模拟与实测的一致率 增强模拟仿真结果的可靠性 3 集成应用两种模拟技术 不仅在结构分析时考虑铸造工艺性 而且在铸造工艺 设计时考虑结构强度要求 两者交互应用 使精铸件结构更优 工艺更合理 实现 了精铸件结构轻量化设计与工艺出品率提升设计两者的和谐统一