基于Ansys workbench 的單壁砂箱有限元分析

姜 芊，王曉靜，孫鵬程

（1.河北省鑄造機(jī)械技術(shù)創(chuàng)新中心，河北保定 071000；2.保定維爾鑄造機(jī)械股份有限公司，河北保定 071000）

0 引言

砂箱是鑄件生產(chǎn)中必備的工藝裝備之一。手工造型所用的砂箱一般要求比較簡單；近年來，隨著高壓、氣沖、靜壓等高效率、高比壓造型設(shè)備的廣泛使用，對(duì)砂箱的要求越來越高。正確地設(shè)計(jì)和選擇適合鑄造生產(chǎn)需要的砂箱，對(duì)日益發(fā)展的鑄造生產(chǎn)，具有很大的實(shí)用價(jià)值。靜壓自動(dòng)線砂箱在造型時(shí)，砂箱的側(cè)壁承受很大的側(cè)壓力，導(dǎo)致砂箱側(cè)壁變形。因此砂箱必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，在使用中不應(yīng)產(chǎn)生塑性變形。彈性變形量也應(yīng)受到限制。砂箱的變形量越大，卸載后箱壁使砂型向箱中心部位的位移量也越大，這就會(huì)引起砂型變形甚至開裂、塌箱，給實(shí)現(xiàn)正常的起模造成困難。因此，砂箱側(cè)壁的變形量必須限制在許可范圍內(nèi)。根據(jù)國外資料介紹，砂箱在滿負(fù)荷時(shí)，沿長度方向的變行量不得超過0.01%～0.02%；我國某汽車制造廠認(rèn)為其最大變形量可以在0.015%～0.03%。砂箱設(shè)計(jì)后，都要根據(jù)允許最大變形量來校核其剛度，或者根據(jù)砂箱的剛度，驗(yàn)算變形量是否超過許可值[1]。

本文以靜壓造型線的單壁砂箱為研究對(duì)象，運(yùn)用Solidworks 建立輪轂砂模及砂箱的三維模型。通過Ansys Workbench 軟件對(duì)造型時(shí)的砂箱靜力分析，得到砂箱靜態(tài)分析的最大變形和應(yīng)力及疲勞壽命云圖；對(duì)輪轂鐵水冷卻階段的砂箱進(jìn)行熱力學(xué)分析，得到砂箱熱應(yīng)力分布和變形云圖，驗(yàn)算變形量是否超過許可值，為砂箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)性建議。

1 有限元模型的建立

以某拖拉機(jī)前輪輪轂為例，在Solidworks 軟件中創(chuàng)建下砂箱和砂模模型。下砂箱內(nèi)部尺寸700mm×600mm×230mm,每箱放置5 件輪轂[3]。在建立三維模型時(shí)去掉了砂模內(nèi)部澆道和砂芯部分，將砂箱箱壁螺紋孔以及倒角等影響有限元分析計(jì)算的模型特征簡化，避免出現(xiàn)分析結(jié)果的應(yīng)力集中、應(yīng)力奇異的狀態(tài)，從而保證后面建立模型時(shí)網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和有限元計(jì)算的精度。下砂箱及砂模的三維模型如圖1 所示。

圖1 下砂箱及砂模三維模型

2 有限元模型的分析

砂箱材料是灰鑄鐵HT250。在Engerning Date中直接調(diào)ANSYS nCode 材料庫中的灰鑄鐵Grey Cast Iron BS1452 Grade250。根據(jù)砂模的材料屬性自定義砂模材料：砂模的密度為1520kg/m3，彈性模量為1.1×109Pa[2]，熱傳導(dǎo)率為0.346W/m·℃，比熱容為816J/kg·℃[3]。材料屬性如圖2 所示。

圖2 材料屬性

2.1 靜力學(xué)分析

靜力學(xué)分析是有限元分析的基礎(chǔ)，主要是分析機(jī)械結(jié)構(gòu)在受力情況為恒定外力時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)與受力情況兩者的響應(yīng)關(guān)系。一般分析機(jī)械結(jié)構(gòu)由受力引起的變形和最大應(yīng)力等。砂模造型時(shí)，砂箱通過兩側(cè)的銷子固定在型板框上，砂模受上方多觸頭壓力1MPa。根據(jù)使用工況，對(duì)砂箱進(jìn)行靜力分析。首先對(duì)砂箱進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過控制網(wǎng)格尺寸，得到449217 個(gè)節(jié)點(diǎn)，288457 個(gè)單元。其次對(duì)砂箱填加約束和載荷：兩端銷子孔施加全約束，砂箱內(nèi)壁面加載壓力0.6MPa，通過計(jì)算求解得到砂箱最大變形和最大應(yīng)力的云圖，如圖3 所示。我們可以看到最大變形紅色區(qū)域出現(xiàn)在箱體兩側(cè)上下箱口處，最大變形量為0.36mm，在箱體兩側(cè)定位銷孔和中間肋板箱鉤孔處應(yīng)力比較大，最大應(yīng)力為93.36MPa。

圖3 砂箱應(yīng)力-變形圖

在靜態(tài)分析基礎(chǔ)上運(yùn)用ANSYS 疲勞工具Fatugue Tool 對(duì)砂箱進(jìn)行疲勞分析，求解計(jì)算出箱體的疲勞壽命為10.98 萬次循環(huán)，如圖4 所示。

圖4 砂箱的疲勞壽命

2.2 熱應(yīng)力分析

輪轂自然冷卻成型過程中，溫度變化使砂箱產(chǎn)生熱應(yīng)力和變形。對(duì)砂模和砂箱做瞬態(tài)熱應(yīng)力分析，計(jì)算砂箱的熱應(yīng)力和變形的流程如圖5 所示。分別對(duì)砂模和砂箱賦予材料，劃分網(wǎng)格，進(jìn)行熱力分析。砂模將鐵水的熱量傳導(dǎo)到砂箱上，通過箱體與空氣的接觸面散熱自然冷卻。設(shè)置鐵水和砂模接觸面的溫度為1300℃，冷卻時(shí)間100min，空氣的對(duì)流散熱系數(shù)為25W/m2·℃。通過瞬態(tài)熱分析，得到輪轂自然冷卻100min 后，砂模及砂箱的溫度分布，如圖6 所示。

圖5 熱應(yīng)力分析流程

圖6 溫度分布云圖

為分析砂箱受熱過程的應(yīng)力和變形，隱藏砂模三維模型。用溫度探針測(cè)得輪轂冷卻100min 過程中，砂箱內(nèi)壁及中間肋板的溫度變化。如圖7 所示，砂箱內(nèi)壁從53.7℃逐漸冷卻到47.6℃，中間肋板由43.2℃逐漸冷卻到42℃。

圖7 砂箱內(nèi)壁和肋板的溫度變化

輪轂冷卻時(shí)，砂箱放置在兩側(cè)有定位銷的轉(zhuǎn)運(yùn)車上。固定約束砂箱底面和箱體一端的銷孔，將砂箱的瞬態(tài)熱溫度導(dǎo)入做熱力分析。通過計(jì)算得到圖8所示熱應(yīng)力及變形云圖。砂箱的上箱口四個(gè)角變形量最大0.14mm，定位銷孔受最大熱應(yīng)力99.5MPa。

圖8 熱應(yīng)力及變形云圖

3 結(jié)論

本文通過Ansys Workbench 軟件對(duì)靜壓線單壁砂箱進(jìn)行分析，得到砂箱靜力最大變形0.36mm,熱應(yīng)力最大變形量為0.14mm，變形量小于長度方向的允許量0.8mm;砂箱靜態(tài)分析所受的最大壓應(yīng)力為99.36MPa；熱力分析所受的最大熱應(yīng)力為99.5MPa?；诣T鐵的抗拉強(qiáng)度為250MPa,靜態(tài)分析疲勞壽命約為11 萬次，說明砂箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸合理，工藝布局完全滿足鑄件生產(chǎn)要求。本文的研究方法可以對(duì)砂箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為提高砂箱的剛度和強(qiáng)度提供理論支撐，具有一定的指導(dǎo)意義。