精鑄件CAE分析精度提升方法研究

林貞國(guó) 黃華龍 李忠

摘 ?要：精鑄件在汽車支架類零件中應(yīng)用十分廣泛，其分析精度的準(zhǔn)確性對(duì)于產(chǎn)品的使用性能以及整車的安全性能有著非常重要的作用，產(chǎn)品CAE分析精度主要影響因素有分析模型的合理性、分析工況的全面性、鑄件網(wǎng)格模型的選擇、連接單元的建模方法、鑄件后處理結(jié)果的讀取對(duì)結(jié)果的判定等，本文中采用一實(shí)例吊耳支架總成結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，該支架在路試中出現(xiàn)裂紋，通過(guò)調(diào)整分析模型得到分析結(jié)果與實(shí)物裂紋位置一致，并通過(guò)優(yōu)化手段對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)并滿足要求，同時(shí)對(duì)其他幾個(gè)維度的影響因素進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，已總結(jié)出對(duì)于提升分析精度的合理模型設(shè)置，這對(duì)于精鑄件產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程非常重要，更精確的判定了結(jié)構(gòu)的安全性，避免后續(xù)裝車出現(xiàn)問(wèn)題，縮短產(chǎn)品開發(fā)流程，為產(chǎn)品開發(fā)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：分析精度;分析模型;網(wǎng)格單元;分析工況;后處理結(jié)果

中圖分類號(hào)：U466 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2022）02-0082-06

Research On Improving Precision Of Cae Analysis For

Investment Casting

LIN Zhen-guo， HUANG Hua-long， LI Zhong

（ Dongfeng investment casting co. LTD， Shiyan 442714， China）

Abstract： Casting is widely used in auto bracket parts， the precision of the analytical accuracy for the use of the product performance and safety performance of the vehicle has a very important role， the CAE analysis of main factors influencing precision of products are the rationality of the analysis model， analysis condition， casting grid model of comprehensive selection， connect the unit modeling method， casting post-processing results determine， such as the reading of the results of this article USES an example lug support to validate assembly structure， the crack of stents in the road test， by adjusting the model analysis results are consistent with real crack location， The structure is strengthened and meets the requirements by means of optimization. At the same time， the influence factors of other dimensions are compared and verified， and a reasonable model setting for improving the analysis accuracy has been summarized. This is for the investment casting product development process.

Key Words： Analysis Accuracy; Analysis Model; Grid Cell; Analysis Of Working Conditions; Post-Processing Result

引 ? ?言

精密鑄造件常用于汽車底盤以及發(fā)動(dòng)機(jī)支架系列產(chǎn)品，應(yīng)用非常廣泛，產(chǎn)品的安全性對(duì)于整車的安全性也具有非常重要的影響，日常生活中，常常出現(xiàn)由于產(chǎn)品斷裂引發(fā)的安全事故，因此從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是非常重要的，所以該類產(chǎn)品在開發(fā)階段的CAE分析結(jié)果的準(zhǔn)確性也就非常重要，通常CAE分析工作人員采取各種各樣的方法，通過(guò)調(diào)整分析模型。單元連接，網(wǎng)格劃分等等手段使的分析結(jié)果與實(shí)際受力情況保持一致，實(shí)現(xiàn)為產(chǎn)品的安全性設(shè)計(jì)提供真正的指導(dǎo)意義[1]。

本文中為研究精鑄件CAE分析結(jié)果的精度，通過(guò)對(duì)實(shí)際精鑄件模型某車型吊耳總成支架進(jìn)行全方位CAE分析驗(yàn)證，該支架在路試中出現(xiàn)裂紋，通過(guò)對(duì)CAE分析結(jié)果與實(shí)際路試裂紋位置進(jìn)行對(duì)標(biāo)，解讀產(chǎn)品強(qiáng)度分析結(jié)果，總結(jié)分析過(guò)程中的各個(gè)部分提升分析精度的分析方法，實(shí)現(xiàn)完善結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)出真正滿足需要的產(chǎn)品[1]。本文中研究的吊耳總成支架，在開發(fā)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)失效的情況，結(jié)合分析結(jié)果與路試結(jié)果，采用有限元分析軟件Hyperworks軟件對(duì)該模型，進(jìn)行分析，將結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出影響強(qiáng)度分析精度的因素以及參數(shù)數(shù)據(jù)，并結(jié)合分析結(jié)果提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度壽命分析，滿足設(shè)計(jì)需求，本文研究的提升精度分析方法，為以后產(chǎn)品開發(fā)縮短周期，提供了很好的方法。

1 ? ?分析模型選擇

該吊耳支架總成在初步的分析過(guò)程中，采用吊耳支架與兜粱相連接的模型進(jìn)行分析方法，分析結(jié)果均在材料的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，結(jié)果該結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)強(qiáng)化路試中出現(xiàn)裂紋，于是便重新審視了分析模型，因?yàn)榱鸭y出現(xiàn)在與大梁連接的中間段，明顯考慮到是由于大梁的變形引起的結(jié)構(gòu)裂紋，便添加上大梁，進(jìn)行裝配體的分析，最終分析結(jié)果中應(yīng)力最大的位置與裂紋位置是一致的。從而得出，對(duì)于有限元分析模型一定要考慮到所有會(huì)影響分析結(jié)果準(zhǔn)確性的結(jié)構(gòu)，有限元分析是一個(gè)合理的簡(jiǎn)化分析過(guò)程，但必須要簡(jiǎn)化在合理的范圍內(nèi)，否則分析結(jié)果將會(huì)失真，不能準(zhǔn)確的分析出結(jié)構(gòu)的受力情況，為以后的結(jié)構(gòu)使用安全性留下隱患。

不帶大梁分析模型

帶大梁分析模型

不帶大梁分析結(jié)果如下所示：

經(jīng)過(guò)對(duì)上述有限元分析結(jié)果進(jìn)行解讀，帶大梁與不帶大梁的分析結(jié)果中最大應(yīng)力位置是不一致的。并且?guī)Т罅旱淖畲髴?yīng)力值已達(dá)到635Mpa，應(yīng)力值已超過(guò)許可范圍，可以發(fā)現(xiàn)帶大梁模型的分析結(jié)果中的工況2與工況4中的分析最大應(yīng)力位置與裂紋位置是一致的。所以在分析過(guò)程中，一定要考慮全面結(jié)構(gòu)的有效模型必須存在，對(duì)有限元的模型必須進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，符合實(shí)際模型，才能分析準(zhǔn)確。

經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱位置進(jìn)行加強(qiáng)后，在帶有大梁分有限元分析模型中進(jìn)行分析，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果如下，在材料的屈服強(qiáng)度范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值降低至447Mpa，滿足結(jié)構(gòu)的實(shí)際要求。

2 ? ?分析工況制定

在分析模型建立好之后，分析工況也是至關(guān)重要的，要考慮全面涉及的所有工況，才能完整的體現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力情況，在吊耳支架總成結(jié)構(gòu)中，第一版的結(jié)構(gòu)分析模型中依次制定了垂跳工況、轉(zhuǎn)向工況、制動(dòng)工況、綜合工況，所有工況在第一輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整后最大等效應(yīng)力均滿足要求，將上述的結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝車但再次路試時(shí)，下端再次出下裂紋，經(jīng)過(guò)綜合評(píng)估，以及對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)的了解，在CAE分析時(shí)，缺少了扭轉(zhuǎn)工況的分析，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)工況的添加，對(duì)向扭轉(zhuǎn)強(qiáng)制位移為5mm[2]，受力分析結(jié)果與下端裂紋位置一致。

有限元分析結(jié)果與實(shí)際裂紋位置一致后，我們對(duì)有限元模型進(jìn)行了修正，增添扭轉(zhuǎn)工況，對(duì)裂紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)，并經(jīng)過(guò)多輪分析驗(yàn)證，得到滿足條件的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

3 ? ?分析網(wǎng)格單元

網(wǎng)格密度和結(jié)果收斂性密切相關(guān)，但影響兩者相互關(guān)系的因素存在爭(zhēng)議。為了滿足規(guī)定的時(shí)間和精度要求，用戶需要在建模時(shí)間、模型準(zhǔn)確度、計(jì)算時(shí)間以及人力成本之間做出權(quán)衡。從數(shù)值精確性的角度來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確的網(wǎng)格是指網(wǎng)格細(xì)化以后，仿真結(jié)果會(huì)出現(xiàn)不是特別顯著的差別。盡管這個(gè)概念聽(tīng)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但很多因素是需要考慮的。網(wǎng)格細(xì)化必須精確的描述待分析的對(duì)象。通過(guò)單元分割細(xì)化網(wǎng)格的方法可能會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，除非新建的節(jié)點(diǎn)足夠接近原始幾何[3]。網(wǎng)格細(xì)化時(shí)，要注意原始單元的使用假設(shè)。網(wǎng)格在慢滿足計(jì)算性能下盡量細(xì)化：

單元的階次選擇，本文中的精鑄件吊耳支架為三維實(shí)體單元，采用一階單元計(jì)算的話，計(jì)算結(jié)果不是特別精確，通常要采用二階單元進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果相對(duì)比較精確[4]。一階與二階單元分析結(jié)果大小：

4 ? ?后處理結(jié)果的讀取

讀取后處理分析結(jié)果中第一重要原則：首先要查看位移和變形的動(dòng)畫，然后才是其他的輸出。查看結(jié)果之前，閉上眼睛想象一下在給定載荷情況下物件應(yīng)該如何變形。軟件計(jì)算所得結(jié)果應(yīng)該能與其對(duì)上，部件不合理的位移和變形表明有些地方可能設(shè)置有誤[5]。

實(shí)際扭轉(zhuǎn)模型

后處理結(jié)果的方式是多樣的，對(duì)最大應(yīng)力值附近位置的應(yīng)力應(yīng)該仔細(xì)觀察。在關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力的不連續(xù)或突然變化表明局部網(wǎng)格應(yīng)該細(xì)化。商業(yè)有限元軟件提供了不同的應(yīng)力查看選項(xiàng)，比如節(jié)點(diǎn)、單元、角點(diǎn)和中心點(diǎn)、高斯點(diǎn)、平均和非平均的應(yīng)力等。非平均、角點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)應(yīng)力一般來(lái)說(shuō)高于平均、中心點(diǎn)的單元應(yīng)力值。 選取合適的應(yīng)力類型 VonMises應(yīng)力用于韌性材料，最大主應(yīng)力用于脆性（鑄造）材料。對(duì)于非線性分析，我們應(yīng)該將注意力放在真實(shí)和工程應(yīng)力上。真實(shí)應(yīng)力定義為載荷與截面瞬時(shí)面積之比[6]。

精鑄件屬于實(shí)體單元，所用材料為鑄鋼，復(fù)合材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論，應(yīng)該主要參考等效應(yīng)力值，最大主應(yīng)力值作為參考。來(lái)綜合判定結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。本文中吊耳支架的最大等效應(yīng)力、最大主應(yīng)力、帶符號(hào)最大應(yīng)力位置與大小均不同。

5 ? ?結(jié)論

通過(guò)對(duì)本文中精鑄件吊耳支架的有限元分析與實(shí)際裝車模型進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，得出以下結(jié)論：

1）有限元模型的簡(jiǎn)化一定要合理，滿足實(shí)際裝配模型，不可缺失相關(guān)聯(lián)的邊界條件。

2）有限元分析分析過(guò)程中，工況須考慮全面，各個(gè)實(shí)際工作工況必須全部得到考慮，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全年分析驗(yàn)證，才能保證結(jié)構(gòu)足夠的安全性。

3）精鑄件結(jié)構(gòu)為三維實(shí)體模型，劃分網(wǎng)格在計(jì)算機(jī)的性能滿足條件下，網(wǎng)格盡量細(xì)化，才能使得有限元分析結(jié)果收斂，結(jié)果準(zhǔn)確性更高。在網(wǎng)格計(jì)算中，對(duì)于實(shí)體單元應(yīng)該使用二階單元，分析計(jì)算結(jié)果才能更接近實(shí)際值。

4）分析結(jié)果的后處理結(jié)果讀取中，對(duì)于脆性材料，通常讀取最大主應(yīng)力，對(duì)于韌性材料，通常讀取最大等效應(yīng)力，對(duì)于韌性材料，工況方向特別明確時(shí)，讀取帶符號(hào)的最大應(yīng)力，來(lái)做參考，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行評(píng)估。

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林貞國(guó)

畢業(yè)于太原科技大學(xué)，碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于東風(fēng)精密鑄造有限公司，主要研究方向：汽車零部件CAE分析。

專家推薦語(yǔ)

王 ? 斌

東風(fēng)精密鑄造有限公司

產(chǎn)品首席工程師 ?高級(jí)工程師

本文針對(duì)CAE分析精度的主要影響因素進(jìn)行了研究，并結(jié)合吊耳支架總成的實(shí)例，調(diào)整分析模型如邊界條件的完善，實(shí)際工作工況，網(wǎng)格質(zhì)量，后處理結(jié)果讀取方式等對(duì)分析精度的影響因素進(jìn)行了總結(jié)，提出了分析精度提升的方法。

文章對(duì)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提升產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)為產(chǎn)品的安全性設(shè)計(jì)提供真正的指導(dǎo)意義。