CN109766634A - 一种矿用大型铸钢件数字化正向研发方法 - Google Patents

Abstract

一种矿用大型铸钢件数字化正向研发方法，包括铸件设计阶段和铸件模具、工艺设计阶段，依次进行初始模型设计、铸件结构应力分析、结构疲劳寿命仿真、裸件凝固仿真分析、简化模具的快速设计、铸造应力与应变的仿真分析等过程。本发明的矿用大型铸钢件数字化正向研发方法,实现了矿用设备关键铸钢件的正向的，高效快速的开发，在确保铸钢件产品质量的同时，缩短了铸钢件设计与生产周期。

Description

一种矿用大型铸钢件数字化正向研发方法

技术领域

本发明涉及矿用铸钢件数字化正向研发技术领域，具体是一种矿用大型铸钢件数字化正向研发方法。

背景技术

以矿用卡车与矿用挖掘机为例，70%以上的关键受力位置选用大型铸钢件设计，铸钢件开裂将直接导致整体结构的报废，带来严重经济损失；然而，由于铸造本身复杂的工艺特点，以及矿山设备恶劣的工作环境，导致现阶段开展矿用设备大型铸钢件的正向设计非常困难，同时，由于设备主机厂多采用铸钢件外协生产，以及铸造厂数字化研发能力普遍较弱等原因，铸钢件可靠性难以控制；因此矿用设备大型铸钢件的开发成为制约国内矿山设备开发的行业难题之一。

传统的铸钢件设计、铸造工艺设计，以及铸钢件质量控制是相对独立的，在铸钢件设计阶段难以充分考虑铸造工艺性与铸造质量问题，而在铸造工艺设计及质量控制阶段，又难以充分了解产品性能要求与设计者意图，是导致关键铸钢件开发难度大，产品可靠性差的主要原因，甚至出现铸钢件无法成功试制，整机项目中断的严重问题。

铸钢件结构的数字化设计涉及到结构应力仿真与疲劳仿真，而铸造工艺的数字化设计涉及到流体、固液耦合、铸造热力仿真等，如果能够在矿山设备制造业，解决多学科间的相互独立的问题，实现上述多领域仿真协同作业，在铸钢件设计与生产阶段，均能够实现设计、工艺的交互，将会大幅降低开发风险，从设计源头提升铸钢件可靠性；同时，如果实现设计与工艺仿真对与铸钢件质量控制的指导，将会真正完成对产品开发末端的质量把关。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种方法简单、效果良好的矿用大型铸钢件数字化正向研发方法。

本发明是以如下技术方案实现的：一种矿用大型铸钢件数字化正向研发方法，包括如下步骤：

a、铸件设计阶段

1）通过三维设计软件进行铸件的初始模型设计与三维建模；

2）对铸件进行结构应力和结构疲劳寿命仿真，如不满足设计要求，返回步骤1）；

3）对铸件进行裸件凝固仿真；

4）进行铸件简化模具的快速设计；

5）对铸件简化模具进行浇铸与凝固仿真；

6）对铸件进行铸造应力与应变仿真；

7）调整与优化铸件的三维模型并进行工艺性审核确认，如不满足设计要求，重复步骤4）到步骤6）；

8）对铸件结构应力和结构疲劳寿命仿真，审核结果，如不满足设计要求，返回步骤7）；

9）向铸件模具及工艺设计部门，传递铸件设计模型及图纸、简化模具模型、应力仿真与疲劳仿真结果；

b、铸件模具、工艺设计阶段

10）进行铸件裸件凝固仿真；

11）完成基于结构应力与疲劳仿真结果的铸造模具精准设计；

12）进行精准模具的浇铸与凝固仿真；

13）进行铸件的铸造应力与应变的仿真；

14）进行铸件模具工艺审核确认，如不满足设计要求，返回步骤11）；

15）完成铸件模具设计图纸，并输出到模具制造部门；

16）完成基于仿真最终结果的铸件关键区域标识图，以此制定专项检验方案，并完成铸造作业指导书，输出到制造与质量控制部门。

其进一步是：所述步骤4）中的简化模具是基于模具设计模块而快速完成的粗略模具结构设计。

所述步骤7）中的模型调整与优化，是基于仿真结果中的热节、缩松、高应力、变形大小与区域分布，完成对铸钢件模型的优化，提升铸造工艺性。

所述步骤2）和步骤8）中的设计要求为铸件疲劳寿命要求。

所述步骤11）中的模具精准设计是优先对铸钢件高应力区域与低疲劳寿命区域进行方位安排与补缩设计，并逐步完成模具精准设计。

本发明具有以下优点：本发明的矿用大型铸钢件数字化正向研发方法,实现了矿用设备关键铸钢件的正向的，高效快速的开发，在确保铸钢件产品质量的同时，缩短了铸钢件设计与生产周期。其中，该方法实现了现阶段国产最大矿用挖掘机、矿用卡车等矿用设备关键铸钢件的成功研发，并将开发周期减少40%以上，主要铸钢件已经服役3年以上，无任何质量问题。

附图说明

图1是本发明的开发流程示意图。

具体实施方式

结合某超大型矿用挖掘机动臂前支承铸钢件的正向设计，给出如下具体实施过程：

1)根据既往相似设备的同类型铸钢件确定铸钢件形状与材料，根据铸钢件强度需求等参数初步完成铸钢件设计壁厚，并在三维设计软件中完成铸钢件模型设计，相关铸钢件模型已经经过强度校核，避免后续的模型结构大改，此处三维设计软件可选择CAD或Pro/E，但不限于以上两种。

2)利用ABAQUS完成铸件的结构应力分析，采用静态分析，应力条件选用极限工况下的最大应力参数；利用FE-SAFE软件完成结构疲劳寿命仿真，其中载荷谱来源于针对所属设备的多体动力学仿真；相关的仿真分析均是对铸钢件所在的结构件或部件进行整体仿真分析，以保证方正的准确性；其中为了加快仿真效率，铸钢件以外的部分全部采用刚体设置。确认分析结果，符合铸件疲劳寿命的设计要求。

3)将铸钢件CAD模型转化为stp格式，导入CAE软件中，直接对铸钢件设计模型进行铸造凝固的仿真分析，其中浇铸温度1560℃，砂型为树脂砂，采用四面体网格，网格数量200万，浇铸时间10秒。

4)结合裸件的凝固仿真结果，在CAD（或Pro/E）中完成简单模具的快速设计，其中铸钢件全部采用保温冒口，简化模具是基于模具设计模块而快速完成的，并且只需要完成粗略模具结构设计，不要求准确。

5)将模具CAD模型转化为stp格式，导入CAE软件中，进行铸造凝固的仿真分析，其中浇铸温度1560℃，砂型为树脂砂，采用四面体网格，网格数量300万，浇铸时间15秒。

6)将简化模具的模型转化入到SAT格式，绘制专用的热力网格单元，利用abaqus,热力耦合仿真方法快速完成铸钢件变形与铸造应力仿真，保温时间24H。

7)经分析，铸件局部热节过大，部分热节无法补缩，同时铸件变形严重；结合CAE凝固仿真的热节、疏松分布，在CAD（或Pro/E）中调整壁厚设计，添加补缩通道优化局部结构设计，降低补缩难度；根据应力、应变仿真结果，设置抗扭拉筋，局部加强小筋，最大限度的降低铸钢件铸造变形量与开裂倾向。调整后的重复步骤3）-6）。

8)利用ABAQUS完成铸件的结构应力分析，采用静态分析，应力条件选用极限工况下的最大应力参数；利用FE-SAFE软件完成结构疲劳寿命仿真，其中载荷谱来源于针对所属设备的多体动力学仿真；相关的仿真分析均是对铸钢件所在的结构件或部件进行整体仿真分析，以保证方正的准确性；其中为了加快仿真效率，铸钢件以外的部分全部采用刚体设置。确认分析结果，符合铸件疲劳寿命的设计要求。

9)供方数字协同平台完成对铸钢件模型及设计图纸、简化模具模型、应力仿真与疲劳仿真结果发给铸造外协厂进行铸钢件模具精准设计与铸造生产。

10)指导外协厂对铸钢件将铸钢件CAD（或Pro/E）模型转化为stp格式，导入CAE软件中，直接对铸钢件设计模型进行铸造凝固的仿真分析，其中浇铸温度1560℃，砂型为树脂砂，采用四面体网格，网格数量200万，浇铸时间10秒。

11)结合裸件的凝固仿真结果，在CAD中完成简单模具设计，其中铸钢件全部采用保温冒口，其中优先对铸钢件高应力区域与低疲劳寿命区域进行方位安排与补缩设计，并逐步完成模具精准设计；内浇口设计采用多点分散分布。

12)对精准设计的模具进行CAE仿真分析，其中主要针对紊流、缩松、niyama、铸造变形进行准确预判。

13)将简化模具的模型转化入到SAT格式，绘制专用的热力网格单元，利用abaqus,热力耦合仿真方法快速完成铸钢件变形与铸造应力仿真，保温时间24H。

14)结合紊流、缩松、niyama、铸造变形等仿真结果，对模具进行进一步的优化设计，如不合格，返回步骤11），直到得到最终模具设计，最终设计方案重新仿真，并将相关仿真结果传输给质量控制部门。

15)完成模具设计图纸，输出到模具外协制造厂。

完成基于最终仿真结果的铸钢件关键区域标识图，并以此制定检验方案。基于铸钢件结构应力、疲劳、凝固、铸造应力、铸造应变仿真结果，完成铸件关键区域标识图，并对图示区域的质量检查与修复工艺控制进行严格控制，并以此制定专项检验方案，保证应力集中、低疲劳寿命，加工面及补缩不理想等关键区域，超声波与磁粉探伤100%检测。

Claims (5)

1.一种矿用大型铸钢件数字化正向研发方法，其特征在于：包括如下步骤：

a、铸件设计阶段

1）通过三维设计软件进行铸件的初始模型设计与三维建模；

2）对铸件进行结构应力和结构疲劳寿命仿真，如不满足设计要求，返回步骤1）；

3）对铸件进行裸件凝固仿真；

4）进行铸件简化模具的快速设计；

5）对铸件简化模具进行浇铸与凝固仿真；

6）对铸件进行铸造应力与应变仿真；

7）调整与优化铸件的三维模型并进行工艺性审核确认，如不满足设计要求，重复步骤4）到步骤6）；

8）对铸件结构应力和结构疲劳寿命仿真，审核结果，如不满足设计要求，返回步骤7）；

9）向铸件模具及工艺设计部门，传递铸件设计模型及图纸、简化模具模型、应力仿真与疲劳仿真结果；

b、铸件模具、工艺设计阶段

10）进行铸件裸件凝固仿真；

11）完成基于结构应力与疲劳仿真结果的铸造模具精准设计；

12）进行精准模具的浇铸与凝固仿真；

13）进行铸件的铸造应力与应变的仿真；

14）进行铸件模具工艺审核确认，如不满足设计要求，返回步骤11）；

15）完成铸件模具设计图纸，并输出到模具制造部门；

16）完成基于仿真最终结果的铸件关键区域标识图，以此制定专项检验方案，并完成铸造作业指导书，输出到制造与质量控制部门。

2.如权利要求1所述的一种超大型矿用设备铸钢件数字化正向研发方法，其特征在于：所述步骤4）中的简化模具是基于模具设计模块而快速完成的粗略模具结构设计。

3.如权利要求1所述的一种超大型矿用设备铸钢件数字化正向研发方法，其特征在于：所述步骤7）中的模型调整与优化，是基于仿真结果中的热节、缩松、高应力、变形大小与区域分布，完成对铸钢件模型的优化，提升铸造工艺性。

4.如权利要求1所述的一种超大型矿用设备铸钢件数字化正向研发方法，其特征在于：所述步骤2）和步骤8）中的设计要求为铸件疲劳寿命要求。

5.如权利要求1所述的一种超大型矿用设备铸钢件数字化正向研发方法，其特征在于在：所述步骤11）中的模具精准设计是优先对铸钢件高应力区域与低疲劳寿命区域进行方位安排与补缩设计，并逐步完成模具精准设计。