基于Ansys workbench 的單壁砂箱有限元分析

姜 芊，王曉靜，孫鵬程

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

0 引言

砂箱是鑄件生產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、高比壓造型設備的廣泛使用，對砂箱的要求越來越高。正確地設計和選擇適合鑄造生產需要的砂箱，對日益發展的鑄造生產，具有很大的實用價值。靜壓自動線砂箱在造型時，砂箱的側壁承受很大的側壓力，導致砂箱側壁變形。因此砂箱必須有足夠的強度和剛度，在使用中不應產生塑性變形。彈性變形量也應受到限制。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，這就會引起砂型變形甚至開裂、塌箱，給實現正常的起模造成困難。因此，砂箱側壁的變形量必須限制在許可范圍內。根據國外資料介紹，砂箱在滿負荷時，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為其最大變形量可以在0.015%～0.03%。砂箱設計后，都要根據允許最大變形量來校核其剛度，或者根據砂箱的剛度，驗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象，運用Solidworks 建立輪轂砂模及砂箱的三維模型。通過Ansys Workbench 軟件對造型時的砂箱靜力分析，得到砂箱靜態分析的最大變形和應力及疲勞壽命云圖；對輪轂鐵水冷卻階段的砂箱進行熱力學分析，得到砂箱熱應力分布和變形云圖，驗算變形量是否超過許可值，為砂箱結構優化提供指導性建議。

1 有限元模型的建立

以某拖拉機前輪輪轂為例，在Solidworks 軟件中創建下砂箱和砂模模型。下砂箱內部尺寸700mm×600mm×230mm,每箱放置5 件輪轂[3]。在建立三維模型時去掉了砂模內部澆道和砂芯部分，將砂箱箱壁螺紋孔以及倒角等影響有限元分析計算的模型特征簡化，避免出現分析結果的應力集中、應力奇異的狀態，從而保證后面建立模型時網格劃分的質量和有限元計算的精度。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ANSYS nCode 材料庫中的灰鑄鐵Grey Cast Iron BS1452 Grade250。根據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 靜力學分析

靜力學分析是有限元分析的基礎，主要是分析機械結構在受力情況為恒定外力時，機械結構與受力情況兩者的響應關系。一般分析機械結構由受力引起的變形和最大應力等。砂模造型時，砂箱通過兩側的銷子固定在型板框上，砂模受上方多觸頭壓力1MPa。根據使用工況，對砂箱進行靜力分析。首先對砂箱進行網格劃分，通過控制網格尺寸，得到449217 個節點，288457 個單元。其次對砂箱填加約束和載荷：兩端銷子孔施加全約束，砂箱內壁面加載壓力0.6MPa，通過計算求解得到砂箱最大變形和最大應力的云圖，如圖3 所示。我們可以看到最大變形紅色區域出現在箱體兩側上下箱口處，最大變形量為0.36mm，在箱體兩側定位銷孔和中間肋板箱鉤孔處應力比較大，最大應力為93.36MPa。

圖3 砂箱應力-變形圖

在靜態分析基礎上運用ANSYS 疲勞工具Fatugue Tool 對砂箱進行疲勞分析，求解計算出箱體的疲勞壽命為10.98 萬次循環，如圖4 所示。

圖4 砂箱的疲勞壽命

2.2 熱應力分析

輪轂自然冷卻成型過程中，溫度變化使砂箱產生熱應力和變形。對砂模和砂箱做瞬態熱應力分析，計算砂箱的熱應力和變形的流程如圖5 所示。分別對砂模和砂箱賦予材料，劃分網格，進行熱力分析。砂模將鐵水的熱量傳導到砂箱上，通過箱體與空氣的接觸面散熱自然冷卻。設置鐵水和砂模接觸面的溫度為1300℃，冷卻時間100min，空氣的對流散熱系數為25W/m2·℃。通過瞬態熱分析，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 熱應力分析流程

圖6 溫度分布云圖

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

圖7 砂箱內壁和肋板的溫度變化

輪轂冷卻時，砂箱放置在兩側有定位銷的轉運車上。固定約束砂箱底面和箱體一端的銷孔，將砂箱的瞬態熱溫度導入做熱力分析。通過計算得到圖8所示熱應力及變形云圖。砂箱的上箱口四個角變形量最大0.14mm，定位銷孔受最大熱應力99.5MPa。

圖8 熱應力及變形云圖

3 結論

本文通過Ansys Workbench 軟件對靜壓線單壁砂箱進行分析，得到砂箱靜力最大變形0.36mm,熱應力最大變形量為0.14mm，變形量小于長度方向的允許量0.8mm;砂箱靜態分析所受的最大壓應力為99.36MPa；熱力分析所受的最大熱應力為99.5MPa。灰鑄鐵的抗拉強度為250MPa,靜態分析疲勞壽命約為11 萬次，說明砂箱結構的設計尺寸合理，工藝布局完全滿足鑄件生產要求。本文的研究方法可以對砂箱結構優化設計，為提高砂箱的剛度和強度提供理論支撐，具有一定的指導意義。