基于Ansys workbench 的单壁砂箱有限元分析

姜 芊，王晓静，孙鹏程

（1.河北省铸造机械技术创新中心，河北保定 071000；2.保定维尔铸造机械股份有限公司，河北保定 071000）

0 引言

砂箱是铸件生产中必备的工艺装备之一。手工造型所用的砂箱一般要求比较简单；近年来，随着高压、气冲、静压等高效率、高比压造型设备的广泛使用，对砂箱的要求越来越高。正确地设计和选择适合铸造生产需要的砂箱，对日益发展的铸造生产，具有很大的实用价值。静压自动线砂箱在造型时，砂箱的侧壁承受很大的侧压力，导致砂箱侧壁变形。因此砂箱必须有足够的强度和刚度，在使用中不应产生塑性变形。弹性变形量也应受到限制。砂箱的变形量越大，卸载后箱壁使砂型向箱中心部位的位移量也越大，这就会引起砂型变形甚至开裂、塌箱，给实现正常的起模造成困难。因此，砂箱侧壁的变形量必须限制在许可范围内。根据国外资料介绍，砂箱在满负荷时，沿长度方向的变行量不得超过0.01%～0.02%；我国某汽车制造厂认为其最大变形量可以在0.015%～0.03%。砂箱设计后，都要根据允许最大变形量来校核其刚度，或者根据砂箱的刚度，验算变形量是否超过许可值[1]。

本文以静压造型线的单壁砂箱为研究对象，运用Solidworks 建立轮毂砂模及砂箱的三维模型。通过Ansys Workbench 软件对造型时的砂箱静力分析，得到砂箱静态分析的最大变形和应力及疲劳寿命云图；对轮毂铁水冷却阶段的砂箱进行热力学分析，得到砂箱热应力分布和变形云图，验算变形量是否超过许可值，为砂箱结构优化提供指导性建议。

1 有限元模型的建立

以某拖拉机前轮轮毂为例，在Solidworks 软件中创建下砂箱和砂模模型。下砂箱内部尺寸700mm×600mm×230mm,每箱放置5 件轮毂[3]。在建立三维模型时去掉了砂模内部浇道和砂芯部分，将砂箱箱壁螺纹孔以及倒角等影响有限元分析计算的模型特征简化，避免出现分析结果的应力集中、应力奇异的状态，从而保证后面建立模型时网格划分的质量和有限元计算的精度。下砂箱及砂模的三维模型如图1 所示。

图1 下砂箱及砂模三维模型

2 有限元模型的分析

砂箱材料是灰铸铁HT250。在Engerning Date中直接调ANSYS nCode 材料库中的灰铸铁Grey Cast Iron BS1452 Grade250。根据砂模的材料属性自定义砂模材料：砂模的密度为1520kg/m3，弹性模量为1.1×109Pa[2]，热传导率为0.346W/m·℃，比热容为816J/kg·℃[3]。材料属性如图2 所示。

图2 材料属性

2.1 静力学分析

静力学分析是有限元分析的基础，主要是分析机械结构在受力情况为恒定外力时，机械结构与受力情况两者的响应关系。一般分析机械结构由受力引起的变形和最大应力等。砂模造型时，砂箱通过两侧的销子固定在型板框上，砂模受上方多触头压力1MPa。根据使用工况，对砂箱进行静力分析。首先对砂箱进行网格划分，通过控制网格尺寸，得到449217 个节点，288457 个单元。其次对砂箱填加约束和载荷：两端销子孔施加全约束，砂箱内壁面加载压力0.6MPa，通过计算求解得到砂箱最大变形和最大应力的云图，如图3 所示。我们可以看到最大变形红色区域出现在箱体两侧上下箱口处，最大变形量为0.36mm，在箱体两侧定位销孔和中间肋板箱钩孔处应力比较大，最大应力为93.36MPa。

图3 砂箱应力-变形图

在静态分析基础上运用ANSYS 疲劳工具Fatugue Tool 对砂箱进行疲劳分析，求解计算出箱体的疲劳寿命为10.98 万次循环，如图4 所示。

图4 砂箱的疲劳寿命

2.2 热应力分析

轮毂自然冷却成型过程中，温度变化使砂箱产生热应力和变形。对砂模和砂箱做瞬态热应力分析，计算砂箱的热应力和变形的流程如图5 所示。分别对砂模和砂箱赋予材料，划分网格，进行热力分析。砂模将铁水的热量传导到砂箱上，通过箱体与空气的接触面散热自然冷却。设置铁水和砂模接触面的温度为1300℃，冷却时间100min，空气的对流散热系数为25W/m2·℃。通过瞬态热分析，得到轮毂自然冷却100min 后，砂模及砂箱的温度分布，如图6 所示。

图5 热应力分析流程

图6 温度分布云图

为分析砂箱受热过程的应力和变形，隐藏砂模三维模型。用温度探针测得轮毂冷却100min 过程中，砂箱内壁及中间肋板的温度变化。如图7 所示，砂箱内壁从53.7℃逐渐冷却到47.6℃，中间肋板由43.2℃逐渐冷却到42℃。

图7 砂箱内壁和肋板的温度变化

轮毂冷却时，砂箱放置在两侧有定位销的转运车上。固定约束砂箱底面和箱体一端的销孔，将砂箱的瞬态热温度导入做热力分析。通过计算得到图8所示热应力及变形云图。砂箱的上箱口四个角变形量最大0.14mm，定位销孔受最大热应力99.5MPa。

图8 热应力及变形云图

3 结论

本文通过Ansys Workbench 软件对静压线单壁砂箱进行分析，得到砂箱静力最大变形0.36mm,热应力最大变形量为0.14mm，变形量小于长度方向的允许量0.8mm;砂箱静态分析所受的最大压应力为99.36MPa；热力分析所受的最大热应力为99.5MPa。灰铸铁的抗拉强度为250MPa,静态分析疲劳寿命约为11 万次，说明砂箱结构的设计尺寸合理，工艺布局完全满足铸件生产要求。本文的研究方法可以对砂箱结构优化设计，为提高砂箱的刚度和强度提供理论支撑，具有一定的指导意义。