精鑄件CAE分析精度提升方法研究

林貞國 黃華龍 李忠

摘 ?要：精鑄件在汽車支架類零件中應用十分廣泛，其分析精度的準確性對于產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、鑄件網格模型的選擇、連接單元的建模方法、鑄件后處理結果的讀取對結果的判定等，本文中采用一實例吊耳支架總成結構來進行驗證，該支架在路試中出現裂紋，通過調整分析模型得到分析結果與實物裂紋位置一致，并通過優化手段對結構進行加強并滿足要求，同時對其他幾個維度的影響因素進行對比驗證，已總結出對于提升分析精度的合理模型設置，這對于精鑄件產品開發過程非常重要，更精確的判定了結構的安全性，避免后續裝車出現問題，縮短產品開發流程，為產品開發提供強有力的技術支撐。

關鍵詞：分析精度;分析模型;網格單元;分析工況;后處理結果

中圖分類號：U466 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：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動機支架系列產品，應用非常廣泛，產品的安全性對于整車的安全性也具有非常重要的影響，日常生活中，常常出現由于產品斷裂引發的安全事故，因此從產品結構的強度是非常重要的，所以該類產品在開發階段的CAE分析結果的準確性也就非常重要，通常CAE分析工作人員采取各種各樣的方法，通過調整分析模型。單元連接，網格劃分等等手段使的分析結果與實際受力情況保持一致，實現為產品的安全性設計提供真正的指導意義[1]。

本文中為研究精鑄件CAE分析結果的精度，通過對實際精鑄件模型某車型吊耳總成支架進行全方位CAE分析驗證，該支架在路試中出現裂紋，通過對CAE分析結果與實際路試裂紋位置進行對標，解讀產品強度分析結果，總結分析過程中的各個部分提升分析精度的分析方法，實現完善結構優化方案，設計出真正滿足需要的產品[1]。本文中研究的吊耳總成支架，在開發試驗過程中出現失效的情況，結合分析結果與路試結果，采用有限元分析軟件Hyperworks軟件對該模型，進行分析，將結果與試驗結果進行對比，得出影響強度分析精度的因素以及參數數據，并結合分析結果提出結構優化的方案，優化后結構進行強度壽命分析，滿足設計需求，本文研究的提升精度分析方法，為以后產品開發縮短周期，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程中，采用吊耳支架與兜粱相連接的模型進行分析方法，分析結果均在材料的屈服強度范圍內，結果該結構在扭轉強化路試中出現裂紋，于是便重新審視了分析模型，因為裂紋出現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構裂紋，便添加上大梁，進行裝配體的分析，最終分析結果中應力最大的位置與裂紋位置是一致的。從而得出，對于有限元分析模型一定要考慮到所有會影響分析結果準確性的結構，有限元分析是一個合理的簡化分析過程，但必須要簡化在合理的范圍內，否則分析結果將會失真，不能準確的分析出結構的受力情況，為以后的結構使用安全性留下隱患。

不帶大梁分析模型

帶大梁分析模型

不帶大梁分析結果如下所示：

經過對上述有限元分析結果進行解讀，帶大梁與不帶大梁的分析結果中最大應力位置是不一致的。并且帶大梁的最大應力值已達到635Mpa，應力值已超過許可范圍，可以發現帶大梁模型的分析結果中的工況2與工況4中的分析最大應力位置與裂紋位置是一致的。所以在分析過程中，一定要考慮全面結構的有效模型必須存在，對有限元的模型必須進行合理的簡化，符合實際模型，才能分析準確。

經過對結構薄弱位置進行加強后，在帶有大梁分有限元分析模型中進行分析，優化后結構的分析結果如下，在材料的屈服強度范圍之內，結構的最大應力值降低至447Mpa，滿足結構的實際要求。

2 ? ?分析工況制定

在分析模型建立好之后，分析工況也是至關重要的，要考慮全面涉及的所有工況，才能完整的體現整個結構的受力情況，在吊耳支架總成結構中，第一版的結構分析模型中依次制定了垂跳工況、轉向工況、制動工況、綜合工況，所有工況在第一輪結構優化調整后最大等效應力均滿足要求，將上述的結構進行裝車但再次路試時，下端再次出下裂紋，經過綜合評估，以及對試驗場的了解，在CAE分析時，缺少了扭轉工況的分析，通過對結構進行扭轉工況的添加，對向扭轉強制位移為5mm[2]，受力分析結果與下端裂紋位置一致。

有限元分析結果與實際裂紋位置一致后，我們對有限元模型進行了修正，增添扭轉工況，對裂紋結構進行了加強，并經過多輪分析驗證，得到滿足條件的優化結構。

3 ? ?分析網格單元

網格密度和結果收斂性密切相關，但影響兩者相互關系的因素存在爭議。為了滿足規定的時間和精度要求，用戶需要在建模時間、模型準確度、計算時間以及人力成本之間做出權衡。從數值精確性的角度來說，準確的網格是指網格細化以后，仿真結果會出現不是特別顯著的差別。盡管這個概念聽起來比較簡單，但很多因素是需要考慮的。網格細化必須精確的描述待分析的對象。通過單元分割細化網格的方法可能會產生一些問題，除非新建的節點足夠接近原始幾何[3]。網格細化時，要注意原始單元的使用假設。網格在慢滿足計算性能下盡量細化：

單元的階次選擇，本文中的精鑄件吊耳支架為三維實體單元，采用一階單元計算的話，計算結果不是特別精確，通常要采用二階單元進行計算，結果相對比較精確[4]。一階與二階單元分析結果大小：

4 ? ?后處理結果的讀取

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

實際扭轉模型

后處理結果的方式是多樣的，對最大應力值附近位置的應力應該仔細觀察。在關鍵區域應力的不連續或突然變化表明局部網格應該細化。商業有限元軟件提供了不同的應力查看選項，比如節點、單元、角點和中心點、高斯點、平均和非平均的應力等。非平均、角點或節點應力一般來說高于平均、中心點的單元應力值。 選取合適的應力類型 VonMises應力用于韌性材料，最大主應力用于脆性（鑄造）材料。對于非線性分析，我們應該將注意力放在真實和工程應力上。真實應力定義為載荷與截面瞬時面積之比[6]。

精鑄件屬于實體單元，所用材料為鑄鋼，復合材料力學第四強度理論，應該主要參考等效應力值，最大主應力值作為參考。來綜合判定結構的力學性能。本文中吊耳支架的最大等效應力、最大主應力、帶符號最大應力位置與大小均不同。

5 ? ?結論

通過對本文中精鑄件吊耳支架的有限元分析與實際裝車模型進行對標分析，得出以下結論：

1）有限元模型的簡化一定要合理，滿足實際裝配模型，不可缺失相關聯的邊界條件。

2）有限元分析分析過程中，工況須考慮全面，各個實際工作工況必須全部得到考慮，對結構進行全年分析驗證，才能保證結構足夠的安全性。

3）精鑄件結構為三維實體模型，劃分網格在計算機的性能滿足條件下，網格盡量細化，才能使得有限元分析結果收斂，結果準確性更高。在網格計算中，對于實體單元應該使用二階單元，分析計算結果才能更接近實際值。

4）分析結果的后處理結果讀取中，對于脆性材料，通常讀取最大主應力，對于韌性材料，通常讀取最大等效應力，對于韌性材料，工況方向特別明確時，讀取帶符號的最大應力，來做參考，從而對結構的性能進行評估。

參考文獻：

[1]戴俊平，栗宜猛，尤迪，牛建華. 基于Hyperworks的新型汽車半軸的強度分析[J]. 機械工程師，2015，（04）：66-68.

[2]章剛，劉軍，劉永壽，岳珠峰. 表面粗糙度對表面應力集中系數和疲勞壽命影響分析[J]. 機械強度，2010，32（01）：110-115.

[3]李莉，謝里陽，何雪浤，趙晉芳. 疲勞壽命影響因素的試驗研究[J]. 中國機械工程，2010，21（03）：355-358.

[4]王彥偉，羅繼偉，葉軍，陳立平. 基于有限元的疲勞分析方法及實踐[J]. 機械設計與制造，2008，（01）：22-24.

[5]倪昀，陳偉. 基于nCode的前橫向穩定桿應變疲勞分析[J/OL]. 熱加工工藝，2014，43（02）：52- 54+58. （2014-02-13）

[6]周美施，張鐵柱，尹懷仙，張洪信，劉高君. 基于nCode Design-Life的電動客車車架疲勞壽命分析[J/OL]. 青島大學學報（工程技術版），2015，30（04）：96-100.

林貞國

畢業于太原科技大學，碩士學位，現就職于東風精密鑄造有限公司，主要研究方向：汽車零部件CAE分析。

專家推薦語

王 ? 斌

東風精密鑄造有限公司

產品首席工程師 ?高級工程師

本文針對CAE分析精度的主要影響因素進行了研究，并結合吊耳支架總成的實例，調整分析模型如邊界條件的完善，實際工作工況，網格質量，后處理結果讀取方式等對分析精度的影響因素進行了總結，提出了分析精度提升的方法。

文章對縮短產品開發周期，提升產品開發質量，實現為產品的安全性設計提供真正的指導意義。