精铸件CAE技术集成应用探讨

精铸件CAE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CAE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 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.非设计空间 图3 设计空间的拓扑优化 图4 形状优化后 3.27kg ZG410-700 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 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5104N向下拉力。图5 油缸支架静强度CAE工况设置272.05162.05173.06175.73178.26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）ZG310-5704.42kg3.2200KN230KN方案二（拓扑）ZG410-7003.27kg4.1250KN280KN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。出品率65%出品率81%出品率87%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 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。2.4 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。【参考文献】1、 杜孔明 吕志刚 亚精铸成本削减技术方法研究与实践. 第12届世界精密铸造会议.2008年2、 李日. 铸造工艺仿真 ProCAS