翻转臂支架的结构优化与铸造工艺开发.pdf

借助 HyperWorks强大的前 、 后处理功能 ， 对东风商用车某车型的翻转臂支架进行有限元分析 ， 依  据有限元分析结果和相关设计经验进行优化设计 ； 针对不同工况下优化前后的结果进行对比分析 ， 验证优化后  产品开发的可行性和科学性 。 同时 ,对铸件产品进行铸造工艺设计 ,综合考虑不同生产线的收益和生产效率 ,制  定合理的生产工艺和方案 。 验证结果表明 ： 结构优化后 ， 在不同工况下产品最大应力值都明显下降;在产品受力  情况满足设计要求的情况下 ， 重量减轻 4% ;产品在 DISA线生产 ， 一型 2 件 ， 出品率 50% 以上 。关键词 ： HyperWorks； 翻转臂支架 ； 有限元分析 ;铸造工艺设计中图分类号: TG245 文献标识码: A 文章编号 ： 1674-6694( 2020  )03-0016-041 前言翻转臂支架 -前悬置的主要功能是连接支架  和稳定杆固接 。 该件是东风商用车某车型翻转支架  类零件之一 ， 为提高产品的铸造工艺性 ,对产品结  构进行优化 。 CAE仿真分析为产品结构优化提供了  较好的解决方案不仅可以计算岀产品的受力情况 , 更缩短了产品的开发周期 ， 节约开发成本 。Hywerworks是目前汽车行业最流行的 CAE分  析件之一  的前  功能 ， 汽车行业  用 。 本  借助 Hywerworks对翻转臂支架 -前悬置进行静力学分析 ， 根据分析结  对产品  结构进行优化 。 对  力较小  进行化要 。 对优化的结构进行  CAE分析 ， 对结构更  提供  据和  对不同工况  优化前  的结  进行对  分析  优化  产品的可行性和学性 。根据  类件的生产  和我厂不同生产的  结  铸  CAE 进行铸造工艺分析  计  的铸造工艺 。  分析  DISA 造该产品 ， 一型 2 件方案较好 ， 可以实现降低铸造成本 、  缩短造周期 。2 原产品 CAE分析型商用车  提供铸件三维模型  对铸件  型进行  分析 。收稿日期 ： 2019-11-20作者简介:张磊 (1989-),男 ， 硕士 ， 主要从事铸造工艺设计 、 产品结  构优化与 CAE分析 。2.1网格化分用 HyperWorks进行  分析 ， 对  型进行  为了较好的  产品结构和  的计算  用  小  3 mm.2.2材料属性翻转臂支架的材质为 QT700-8,其材料参数如  表 1.表 1 材料属性列表材料 弹性模量 /MPa 泊松比 密度 /g-cm-3QT700-8 2.1E+5 0.27 7.2E-92.3边界条件及载荷翻转臂支架型  件  1  。约  翻转臂支架  置  的的  和转  。工况为工况 1：Z轴的力为 20  000  N；工况 2：y轴的力为 52  000  N.a)模型  L)载荷工况图 1 翻转臂支架边界条件及载荷示意图・16 ・2020 年第 3 期 张  磊 ， 强昆仑,李有均 ， 申保卫,李长生 ， 高  峰:翻转臂支架的结构优化与铸造工艺开发 铸“#备与工艺2.4有限元分析有限元分析模型如图 2 所示 。 各工况下的应力  和位移分布见表 2 和图 3 所示 。图 2 有限元模型构件应力-1.453E+02 -1.292E+02 -1.130E+02 -9.688E+01 -8.074E+01 -6.459E+01 -4.844E+01 -3.230E+011.615E+015.912E-04Max/1.453+023D 15621Min=5.912E-013D 158755a） 工况 1 的变形云图构件应力最大应力值145  MPa表 2 和图 3 表明 ， 工况 1 的最大应力为 145  MPa, 工况 2 的最大应力为 684  MPa,应力主要集中在中  部的两个安装孔位置 。 通过对原始模型的静力学分  析 ， 可以为结构优化提供依据 ,保证在优化后的模  型对产品在加载情况下应力分布无较大影响 。-6.849E+02-6.088E+02-5.327E+02-4.566E+01-3.805E+01-3.044E+01—2.283E+01-1.522E+017.610E+012.187E-03Max=6.849E+02 3D 148926 Min=2.187E-03 3D 215914最大应力值684  MPa表 2 原模型 CAE分析结果统计类别 方向 载荷 位移  X 10 22 /44 最大应力 /MPa工况 1 F (Z) 20  000 0.167 145工况 2 F(Y) 52  000 0.693 684b） 工况 2 的变形云图3 产品结构优化方案的制定3.1产品需要优化的原因如图 4 所示 ， 图中大圆孔外轮廓标记位置 ， 不  便于分型和起型 ， 造成分型面复杂 ,外圆最低位置  不能起型 。 故结合我  产和造产  ， 对  产品提岀结构优化 。3.2产品优化的要求产品  不  加 ， 便于起型和  造工  设计 。3.3产品优化的结果优化位置示意见图 5 ,首先将凸台位置的外侧  向外申 ， 保证  在起型  ， 为保证加 ， 将  孔向外移 ，  起型  便 。优化后的优  圆孔位置可以起型 ， 胎形状  位置  起型 。3.4 优化后 CAE分析模型和  优化 ， 结如表 3 和图6 所示 。 结可以  ， 优化后 ， 工况 1 的最大应  力为 130  MPa， 工况 2 最大应力为 644  MPa， 均降  低 ， 最大降低 40  MPa.应力集中位置无变化 。图 3 原模型两种工况的应力分布图 4 产品需要更改位置示意将凸台改为平台  . -------- --- ------»'壁外移与凸台平齐图 5 产品优化位置・17 ・Jun.2020 Nq3 铸“#备与工艺 2020 年第 3 期表 3 优化后模型 CAE分析结果统计类别 方向 载荷 位移  X 10-2/mm 最大应力 /MPa工况 1 F(Z) 20  000 0.175 130工况 2 F(Y) 52  000 0.718 644构件应力—1.302E+02-1.157E+02-1.012E+02-8.679E+01-7.232E+01一 5.786E+01-4.339E+01-2.893E+01-1.446E+01-6.299E-04Max=1.302E+02Grids 4337Min=6.299E-04Grids 126最大应力值'130 MPaa） 工况 1 的变形云图C） 凝固后期图 7 方案 1 凝固模拟结果构件应力6.444E+02--5.728E+02 -5.012E+02 -4.296E+01 [3.590E+01 L2.864E+01 匚  2.148E+01 L1.432E+01-7.464E+01 2.385E-03Max=6.444E+02Grids 4177Min=2.382E-03Grids 10032最大应力值644  MPa1 ） 工况 2 的变形云图图 6 优化后两种工况的应力分布图 7 模拟结果表明 ,铸件在凝固最后 ， 中间  置  向 ， 所以图中善  向作用 。方案 2 见图 8 ,铸件竖向布置 ， 一型 2 件 。a） 凝固中期  1）凝固后期图 8 方案 2 凝固模拟结果4 铸造工艺设计和制造结合产品结构 、 需求量和我厂生产线特点 ， 最  终确定该产品在 DISA线生产 ， 布置为 1 型 2 件 ， 采  用下芯框下芯 ， 材质为 QT700-8,铸件单重 4.75 kg. 4.1铸造工艺设计4.1.1产品技术条件材质 QT700-8;铸件表面油漆以 QC-2， 按 E- QY-2执行;初期调试阶段 100%X光探伤;铸件质  量按 EQY-22执行 。4.1.2 工艺设计优化通过对多种方案进行分析 ,确定最优方案进行  工艺设计 。设计方案 1 凝固模拟结果如图 7 所示,考虑铸  件横向布置 ， 一型 3 件 。图 8 模拟结果表明 ， 增加一个冒口对缩松倾向  影  ， 品 。方案 3 见图 9， bmd线布置 ， 一型 12 件 。对 3 种方案进行对 ， 方案 3  ，方案 1  向  ， 型布置和芯设计合 ，  方案 1 进行工艺设计 ， 在设计中 ，芯  定  和下芯 ，  一型布置 2 件 。4.1.3 设计估算整箱重为 16  kg、 浇注时间按估算为 8  s， 其  中流量  0.5； 每型铸件高度为 290  mm;表得 ： F 内  @140  mm2;F 直  @140  X 1.2=167 mm2;三维截  面  如图 10 所示 。图 10 为工设计  示图 ， 采用方案 1  设计和  ， 通过增加  ， 善，  ， 芯为型  置 。・18 ・2020 年第 3 期 张  磊 ， 强昆仑,李有均 ， 申保卫,李长生 ， 高  峰:翻转臂支架的结构优化与铸造工艺开发 铸“#备与工艺/） 凝固前期 b） 凝固中期C） 凝固后期图 9 方案 3 凝固模拟结果/） 型板C） 浇注系统结构b） 砂芯模图 10 工装二维 — .图4.2铸造工艺验证  421 材质结果分析针对小批量生产阶段 ， 将多次结果进行统计,  材质性能见表 4.表 4 材质结果分析批次 抗拉强度 强 延伸率 硬度 珠光体 化/MPa /MPa /%（HBW） /% 等级8.7 804 481 10 257 85 26.19 755 477 9 240 80 23.13 724 445 9 236 80 22.8 734 429 8 246 80 2经过多批次 、 小批量生产验证,该铸件材质达  到 QT700-8要求 ， 并能稳定生产 。422 铸件内部质量分析对多批次铸件进行 X光探伤和解剖 ， 见图 11 ，  铸件内部质量满足技术条件要求 ， 故该件可以批量  生产 。图 11 铸件 X光探伤和解剖4.2.3铸造和加工工序流程铸造和加工工序流程如图 12 所示 。图 12 铸造和加工工序流程701 次外观检查5 结论根据经验对产品提岀结构优化 ， 借助 Hyper- Works强大的前 、 后处理功能 ， 对优化前后产品进行  分析 ， 产品  提  据并  技术  可  多个方案的铸造工艺 CAE分析,选岀较理 、 收较的方案进行产品生产 ，  要求  到铸件质量要求并批量生产 。1 ） 产品结构优化后 ， 量  力口 ， 工况 1 的  最大应力由 145  MPa 到 133  MPb；工况 2 的最  大 684  MPa 到  644  MPa，  ， 产品到提  ，  铸造工艺性2  产品结构优化后 ， 部  铸造工艺生产 ，  ， 化3  铸  CAE 件对多  铸造工艺进行分  析 ， 定铸件内部质量较  的方  ， 铸件批量生产  提  据 。参考文献 ：:1  ］ 王文清 •铸造工艺学 ［ M %•北京:机械工业出版社 ， 1998.⑵ .铸造工艺  工  计 ［M］ . 化  工业出版社,2014.・19 ・