羅　杰，鄭洪亮，顏廷亮，丁蘇沛，田學雷（.山東大學材料科學與工程學院，山東濟南　5000；.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南　50306）

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基于ABAQUS的造型過程砂箱應力分析

羅杰1，鄭洪亮1，顏廷亮1，丁蘇沛2，田學雷1
（1.山東大學材料科學與工程學院，山東濟南250100；2.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南250306）

摘要：利用數(shù)值模擬軟件ABAQUS建立造型過程中砂箱的有限元模型，獲得了砂箱在造型過程中的應力分布及變形情況，校核了砂箱的強度，為結(jié)構優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

關鍵詞：砂箱；有限元模型；應力分布；ABAQUS

靜壓造型過程中，通過在鑄型上部瞬間導入定壓的壓縮氣流進行氣流預緊實，然后通過多觸頭壓實機構對型砂進行壓實緊實[1]。型砂在通過壓實機構進行緊實時，砂箱四壁也會受到一定程度的作用力，引起砂箱變形。通過有限元軟件ABAQUS對砂箱進行靜力分析，便可獲得造型時砂箱的應力分布及變形量，從而為砂箱的改進設計提供理論依據(jù)。

1　ABAQUS簡介

ABAQUS是國際上最先進的大型通用有限元計算分析軟件之一，具有廣泛的模擬性能。有眾多單元模型、材料模型、分析過程等，可以用來分析各種領域的問題，如結(jié)構力學、固體力學、巖土力學等等。ABAQUS有功能強大、非線性分析功能、豐富的單元庫和材料模型庫、良好的開放性等優(yōu)點[2]。同所有有限元軟件一樣，ABAQUS有限元分析包括前處理、模擬分析計算、后處理三個步驟。

2　砂箱ABAQUS有限元分析模型的建立

有限元結(jié)果的準確度決定于有限元模型網(wǎng)格質(zhì)量的好壞，載荷處理、邊界條件與實際工況的符合程度等眾多因素。因此有限元模型的建立非常重要，既要合理簡化模型，減少工作量，又要保證計算結(jié)果的準確度。文中砂箱有限元模型的建立基于以下假設，砂箱四壁所受的水平壓強相等，大小為壓實比壓的0.3～0.5倍，實際生產(chǎn)中壓實比壓為P=1×10-6Pa.

2.1砂箱三維模型建立

本文采用UG建立砂箱三維模型，再導入ABAQUS進行有限元分析。砂箱是由多塊鋼板焊接而成的焊接件，要準確對焊接件進行受力分析，可以對每一個焊接部件分別進行建模，然后裝配。但是以上處理方法存在接觸過多，可能會導致計算結(jié)果不收斂，且計算量大。本文將砂箱當做一個整體來進行建模，此外還消除了模型中較小的倒角、倒圓，以提高網(wǎng)格質(zhì)量。砂箱三維模型如圖1所示。

2.2劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格質(zhì)量直接影響求解精度及結(jié)果收斂性，因此網(wǎng)格劃分是分析過程中重要環(huán)節(jié)之一。運用ABAQUS強大的網(wǎng)格劃分功能，通過在模型上設置全局種子，使用了C3D10M（二次10節(jié)點4面體單元[3]）進行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量在37萬左右，網(wǎng)格劃分如圖2.

圖1　砂箱三維模型圖

圖2　砂箱網(wǎng)格劃分圖

2.3有限元分析條件設定

有限元分析條件主要包括分析單元、材料屬性、邊界條件以及模型的受力狀況。本文中砂箱材料為16 Mn，為線彈性材料，密度為7.87 g/cm3，彈性模量為212 000 MPa，泊松比0.31，砂箱下表面施加固定邊界條件。假設砂箱四壁所受的水平壓強大小為壓實比壓的0.3～0.5倍，實際生產(chǎn)中壓實比壓為P=1×10-6Pa，因此砂箱受力條件為在砂箱內(nèi)表面上施加0.333 MPa的壓強，持續(xù)時間2 s.

3　計算結(jié)果及分析

3.1應力分布

工程中，受力構件應力狀態(tài)比較復雜，解決這類問題通常會依據(jù)四個強度理論。第三強度理論認為最大切應力是引起材料屈服破壞的主要因素，適用于塑性材料，但它沒有考慮到其他兩個主應力的影響；第四強度理論認為決定材料塑性屈服破壞的因素不僅僅是最大切應力，而應是三個主切應力的均方根[4-5]。

16 Mn是低合金鋼，屬于塑性材料，適用于第三、四強度理論，鑒于第四強度理論的全面性，本文使用Mises應力來評估單元和節(jié)點的受力狀況。砂箱內(nèi)壁承受0.333 MPa的壓強，持續(xù)時間為2 s.載荷加載完成之后，即t=2 s時Mises等效應力分布如圖3，圖4，圖5.

圖3　Mises等效應力分布1

圖4　Mises等效應力分布2

圖5　Mises等效應力分布3

由圖可見，造型過程中，砂箱內(nèi)側(cè)邊角連接處、砂箱長邊兩側(cè)肋板與外側(cè)擋板的連接處以及砂箱正面圓孔處出現(xiàn)了不同程度的應力集中，大小分別為54 MPa，56 MPa，75 MPa，用安全系數(shù)來進行強度校核，表達砂箱工作時的安全情況。安全系數(shù)定義為材料屈服強度除以該位置的Mises等效應力。16 Mn低合金鋼屈服強度為345 MPa，由此可得：

3.2變形分析

砂箱剛度不足，造型過程中可能會造成砂箱的變形，變形嚴重會影響鑄件的尺寸。本文用單位長度上砂箱的變形量來衡量砂箱的變形，德國的KW公司認為砂箱變形量應該控制在0.1 mm/m～0.15 mm/m范圍內(nèi)。日本有人提出，應把砂箱的變形量控制在0.25 mm/m～0.37 mm/m以內(nèi)，目前來說沒有一個關于變形量的標準，一般認為變形量在0.15 mm/m～ 1 mm/m之間對鑄件尺寸沒有影響。

文中載荷加載完成之后，砂箱變形量如圖6所示，X軸方向變形量如圖7所示，Y軸方向變形量如圖8所示。

圖6　 砂箱整體變形量

圖7　X方向砂箱變形量

圖8　Y方向砂箱變形量

由三個圖可以看出，砂箱最大變形處位于整個砂箱的長邊和短邊的中間位置處。X軸方向最大變形量為0.13 mm，位于砂箱短邊中間位置；Y軸方向最大變形量為0.35 mm，位于砂箱長邊中間位置。單位變形量為單位長度上砂箱的變形量，即砂箱單邊變形量與單邊長度的比值（mm/m）.砂箱長邊長度為1.02 m；短邊長度為0.80 m.那么長邊單位變形量為：0.35 mm/1.02 m≈0.34 mm/m；短邊單位變形量為0.13 mm/0.80 m≈0.16 mm/m.

4　結(jié)論

運用ABAQUS有限元分析軟件對砂箱造型過程進行分析，可以較為精確地分析出砂箱各部位應力分布及變形狀況，從而為砂箱的結(jié)構設計及優(yōu)化提供充分的理論數(shù)據(jù)，工程中可以有效降低設計成本，縮短設計周期。由計算結(jié)果得出以下結(jié)論：

1）造型階段，砂箱內(nèi)側(cè)邊角連接處、砂箱長邊兩側(cè)肋板與外側(cè)擋板的連接處以及砂箱正面圓孔內(nèi)部出現(xiàn)了應力集中，但通過應力校核，三處工作安全系數(shù)較高，不影響砂箱的正常使用。

2）砂箱單位變形量最大處為0.34 mm/m，不會影響鑄件尺寸。

參考文獻：

［1］ 蔡濟昊.靜壓造型技術的發(fā)展［J］.中國鑄造裝備與技術，1999 （5）:7-10.

［2］ 楊曼娟.ABAQUS用戶材料子程序開發(fā)及應用［D］.武漢:華中科技大學，2005.

［3］ 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［4］ 劉鴻文.材料力學［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［5］ 馮維明，張敦富，王玲華，等.工程力學［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010．

中圖分類號：TG242.1

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6694（2016）01-0033-03

doi：10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.01.010

收稿日期：2015-10-27

作者簡介：羅杰（1990-），男，碩士研究生。

Stress Analysis of Flask during Moulding Process Based on ABAQUS

LUO Jie1，ZHENG Hong-liang1，YAN Ting-liang1，DING Su-pei2，TIAN Xue-lei1
（1.School of Materials Science and Engineering，Shandong University，Jinan Shandong 250100，China；2.Jinan Foundry and Metalforming Machinery Research Insitute CO.，LTD.，Jinan Shandong 250306，China）

Abstract：In the article，the numerical simulation software ABAQUS is used to build finite element model of flask.The stress distribution and deformation are shown.At the same time the strength of the flask is examined，which will provide data support for the structure optimization.

Key Words:flask，finite element model，stress distribution，ABAQUS