53_HyperWorks在有缩孔的精铸件强度分析中的应用_马武名
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Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集
- 1 -HyperWorks在有缩孔的精铸件强度分析中的应用
马武名
东风精密铸造有限公司 十堰 442714
摘要：利用HyperWorks优秀的前后处理功能，以某板簧吊耳固定支架为例介绍了带有缩孔缺陷的精铸件强度分析方法，并结合实物台架试验对应力分析结果进行探讨，预测精铸缩孔
对零件强度的影响；同时亦可通过铸造工艺仿真、结构强度分析以及台架试验结果循环验证
的体系更好地指导精铸件的设计开发与制造。
关键词：缩孔缺陷，HyperMesh，局部强度，循环验证体系
1概述
熔模精密铸造（简称精铸），就是在由易熔材料制成的模样上涂敷耐火材料形成型壳，
熔出模样获得型腔，经高温焙烧后注入液态金属冷却后，获得铸件的方法。熔模铸件形状复
杂，且制造工艺过程不易控制，由于受金属流动性、热胀冷缩及铸造工艺的局限，在铸件凝
固过程中产生铸造缺陷是在所难免的。常见的铸造缺陷有缩孔、缩松、夹渣、气孔及裂纹等，
严重时会影响铸件质量，降低强度、刚度甚至造成废品。而常规的强度分析对象是理想的零
件结构，未考虑零件制造过程产生的缺陷，对于此类零件，如何确定结构缺陷部位的应力应
变分布，对零件的整体的危险截面、强度与刚度影响，带有铸造缺陷的零件是否可以继续使
用等问题，都是需要设计与分析人员在产品设计与开发阶段去解决的。
本文将以东风精铸某板簧吊耳固定支架为案例，介绍利用著名的有限元分析软件
HyperWorks对含有铸造缩孔缺陷的精铸件进行强度校核的方法。
2带缩孔的有限元模型的建立
2.1铸件缺陷分布
建立缩孔模型的首要问题则是需要确定缩孔的形状大小及在零件中的分布位置，利用铸Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集
- 2 -造工艺模拟软件分析可以得到零件内部缩孔的形状及分布，经X光探伤结果验证该预测结
果与实际缺陷所在位置基本一致，缩孔缺陷分布如图1所示：
图1.软件预测缺陷分布 图2.带缩孔的支架几何模型
2.2缩孔模型的导入及网格划分
从上述缺陷形状及分布可知，缩孔形状复杂，极不规则，若要对其单独建立模型，则其形状与位置难以确定，只能简化其模型，但却不能很好的消除由于模型简化引起的误差。所以为了更真实地反映缺陷的情况，减少误差，应该将工艺模拟后的缩孔直接导入实际零件的对应位置，再对有缩孔的模型进行强度分析。经多方验证知，通过stl格式导出工艺模拟后的缩孔模型，再利用HyperMesh导入模型的特点可以很好的解决这类问题，为便于下文分析，按照缩孔的特点及位置进行了编号，具体如图2。 带缩孔的零件模型导入后，网格划分是有限元分析的重要步骤之一。好的模型，通过仿
真，可以察之秋毫；但坏的模型，也可能谬之千里，引导出错误的结果。缩孔区域的应力应
变是重点关注的对象，所以必须将该区域网格细化，否则可能无法真实体现该区域的应力状
态。支架本体采用3mm，缩孔区域采用0.5mm~1mm的尺寸进行二阶四面体网格划分，如
图3。
图3.带缩孔的支架网格模型及缺陷部位局部放大图
具体网格参数为：有缩孔模型中节点总数为196233个，单元总数为112877个；无缩孔
模型中节点总数为207094个，单元总数为124178个。为体现对比性，有缩孔模型与无缩孔
的模型网格尺寸参数完全相同，区别仅在于无缩孔模型中，缩孔区域的空心部分亦划分了加
密的二阶四面体网格。
缩孔
1 缩孔2 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集
- 3 -2.3边界条件及工况设定
板簧吊耳固定支架是车架的重要组成部分之一，它连接车架纵梁、吊耳直至钢板弹簧，
承受来自车身载重、紧急加速与刹车力以及弯道转向时传递的侧向力，是车辆行驶过程动力
传递的重要元件。根据支架实际安装及服役状态，为节省计算资源，可简化模型只对零件及
简化纵梁进行分析。
其中简化纵梁采用厚度为16mm的壳单元代替，连接支架与大梁的螺栓使用HyperMesh
自带的Bar2单元模拟，接触面间加一层gap单元模拟接触。分析时，固定约束车架大梁端
部，在板簧支架的销轴孔中心施加载荷。主要工况为：
表1支架的受力工况 工况序号 工况描述 载荷大小KN
1 车身载重 123
2 弯道转弯 20
3 紧急刹车或加速 55.8
具体边界及工况设置如图4 所示：
图4.支架受力工况FEA模型
2.4.材料属性
考虑到支架结构应力为主要关心对象，简化纵梁及螺栓可采用相同材质ZG310-570（调质），支架本体采用高强度钢ZGD650-830，材料属性见下表2。 表2材料属性
参数 材料 弹性模量E(MPa) 泊松比 密度 (T/mm3) 屈服极限 (MPa) 抗拉极限 (MPa)
ZG310-570（调质） 2.1E+5 0.3 7.8E-9 400 710
ZGD650-830 2.1E+5 0.3 7.8E-9 650 830 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集
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3计算求解与后处理结果讨论
3.1查看应力类型选取
本次分析对有/无缩孔两种模型分别做线弹性静力分析，所用求解器为HyperWorks软件
中的OptiStruct模块，并用HyperView作后处理。
分析中所用材料为延伸率较好的钢类，属于塑性材料，多以屈服形式失效，故可选用材
料力学中的第四强度理论，其表达式为：
][])-()-()-[(21213232221σσσσσσσ≤++
其中，σ1、σ2、σ3分别为第一、二、三主应力。又考虑到铸件本身的特殊性，其失效位
置大多发生在受拉应力的零件表面，清晰了解零件上受拉与受压的分布可以更好的确定危险
截面，指导结构设计。综合以上两点，可以选择HyperView中提供的SignedVonmises应力，
其大小与等效应力VonMises值相等，但区分正负号，拉应力为正，压应力为负，经验证与
实际断裂部位更接近，使用它作为应力查看类型，更适合作为碳钢精铸件的强度验证判据。
3.2计算结果讨论
以下为理想模型（无缺陷结构）与带缩孔缺陷模型的静强度对比分析结果，主要关注整
体应力最大位置以及缩孔1、2区域应力变化，如图5~7所示：
零件整体 缩孔1区域 缩孔2区域
无缩孔模型 有缩孔模型 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集
- 5 -图5两种模型在工况1应力分布云图（单位：10-2MPa）
零件整体 缩孔1区域 缩孔2区域
图6两种模型在工况2 应力分布云图（单位：10-2MPa）
零件整体 缩孔1区域 缩孔2区域
图7两种模型在工况3应力分布云图（单位：10-2MPa）
将应力结果汇总于表3： 表3 两种模型不同区域的应力结果 状态 整体应力最大值（MPa） 缩孔1位置（MPa） 缩孔2位置（MPa）
工况1 无缩孔 826.12 -75.60 70.43 有缩孔 826.25 -143.49 169.09 工况2 无缩孔 58.10 35.95 40.38 无缩孔模型
有缩孔模型
有缩孔模型 无缩孔模型 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集
- 6 -有缩孔 58.12 39.91 86.58
工况3 无缩孔 193.77 113.02 40.38 有缩孔 198.63 186.71 108.65
为验证上述分析结果的正确性，将有缩孔的实物进行同工况的台架试验（结果如图8），分析与试验结果对比，可知带缩孔的零件仍满足静强度要求，即缩孔缺陷对改零件的静强度影响不大，这与CAE分析结果预测趋势基本一致。
图8零件实物台架试验结果 经过上述分析，可得出以下初步结论： 1) 整体应力：在两种模型的三种工况中，工况1与工况2的最大应力值及位置均变化极小，可忽略不计；工况3中，
由于在无缩孔模型中该处亦为应力较大处，故当该区域存在缩孔缺陷时，最大应力位置则由别处转移至缺陷附近（此处值由191MPa升至198MPa）； 2) 局部应力：三种工况下，在缩孔附近区域的拉应力或压应力均有较大程度增加，局部强度明显降低； 3) 在无缩孔的模型中，表面应力明显高于内部应力；而在有缩孔的模型中，缩孔附近表面最大应力却低于内部缩孔中的最大应力； 4) 综上可知，铸件中的缩孔处于非危险截面时，缺陷处应力值变大，降低局部强度，但影
响区域仅限于缺陷区域，对其他远端危险截面不产生影响，所以对整体强度影响较小；
当缩孔位于危险截面时，最大应力极有可能转移至缩孔处，从而降低铸件的整体强度，
以致零件不合格。
4结语
HyperWorks很好地解决了铸造模拟结果与结构强度分析的耦合问题，并且通过无缺陷
结构分析—铸造工艺模拟—缺陷模型强度分析—台架试验的循环验证体系，得出了缩孔缺陷
对零件的静强度影响，为一些无法避免缺陷的铸件是否继续使用提供理论判断依据，并可为
后期研究缩孔、裂纹铸造缺陷在疲劳等动载荷作用下的强度影响提供分析参考。 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集
- 7 -5参考文献
[1]聂玉琴，孟广伟主编.材料力学.第2版.北京：机械工业出版社，2009,201-204
[2]李楚琳，张胜兰，冯樱等.HyperWorks分析应用实例.北京：机械工业出版社，2008
[3]高素荷. 有铸造缺陷的轧机牌坊强度刚度评估.重型机械科技，2006，（4）：15-20
HyperWorks Application in Strength Analysis of
Investment Casting Products with Shrinkage
Abstract：Use HyperWorks excellent function in pre process and post process，a leaf-spring lug fixed bracket is presented in this paper with the strength analysis of
investment casting products with shrinkage cavity，and combining with bench test result
discussed stress analysis results，forecast the influence of casting shrinkage in strength.
But also through the circulation verification system that include the casting process
simulation，structure strength analysis and the bench test to better guide casting in design,
development and manufacturing.
Key words: Shrinkage Cavity, HyperMesh, Local Strength, Circulation Verification System
