绪论：写作既是个人情感的抒发，也是对学术真理的探索，欢迎阅读由发表云整理的11篇铸造工艺论文范文，希望它们能为您的写作提供参考和启发。
1.2水套结构分析与措施
水套芯结构特点：①水套芯总高97.5mm，一般厚度5～8mm；②水套芯左端下部有特殊的异形结构。水套芯可能出现异形处变形、断芯，从而影响该处壁厚和尺寸；另外，该异形处存在清砂难度。因此，水套芯应采用强度较高的热芯；水套芯异形处应采用特殊涂料和工艺，以保证该处不发生粘砂和易于出砂。同时，选择底注立浇工艺方案，铁液平稳上升、平稳充型，对整个水套芯的冲击相对于卧浇工艺方案要小很多。
1.3油道结构分析与措施
S10缸体外形单侧有2根油道芯，两侧基本对称，共有4根油道芯。特点是：①油道芯细长，长度266mm，贯穿缸体上下面；②截面单薄，弯曲程度大，在浇注过程中易变形或断裂。因此，油道芯应采用较高强度的热芯；同时为防止和减少热变形，应选用高强度低膨胀的芳东覆膜砂。此外，选择底注立浇工艺方案对细长油道芯受铁液冲击相对于卧浇工艺方案要好很多。
2S10缸体铸造工艺设计
2.1立浇工艺方案选择
依据对S10缸体水套芯和油道芯结构分析，依据对立浇工艺和卧浇工艺在充型时水套芯与油道芯的受力分析，决定选用：缸孔朝上，底注立浇工艺方案。S10缸体铸件工艺如图9；砂芯构成如表4；水套芯和油道芯用芳东覆膜砂，见表5。水套芯异形处实施3层涂料：先刷一层锆英涂料，表干后水套芯整体浸涂水基石墨涂料，最后在异形处再刷锆英涂料。
3试制结果
采用前述工艺措施，按调整后的浇注系统，对热节的3个工艺方案均进行了调试。此外，经铸件解剖表明：水腔清洁，水套异形处光滑无粘砂；水套芯和缸筒芯形成的缸孔壁厚均匀，经检测缸孔壁厚差Δδ≤1.0mm；油道芯未发生断裂和漂浮，油道壁厚正常。对于热节处采用的3个方案，经外观检查和解剖，均未见缩孔和缩松缺陷。铸件经多次加工和加工后解剖表明：尺寸合格，壁厚正常。对热节处的3个工艺方案，为稳定和确保热节处无收缩缺陷，今后可优先选用无冒口的方案1，其次是另2个方案。
4结论
（1）S10缸体水套芯单薄，有异形结构；油道芯贯穿缸体上下平面，细长而弯曲。采用底注立浇工艺，铁液平稳上升，对水套芯和油道芯的冲击小。有利于防止水套芯受冲击变形，保证缸孔壁厚均匀；也有利于防止油道芯漂芯和断芯，保证油道壁厚正常。
（2）水套芯和油道芯设计为热芯，并选用含较大比例宝珠砂的高强度低膨胀的芳东覆膜砂，有利于防止在高温铁液作用下因膨胀而发生的变形，有益于保证缸孔壁厚均匀和油道壁厚正常。水套芯异形结构处实施3层涂料，使不易清理的该处光滑洁净无粘砂。
1.2铸造缩松对曲轴疲劳强度的影响已有研究资料中报道某厂曲轴曾大量出现断裂问题。从曲轴外观上观察得知，导致断裂的主要原因是在曲轴连杆轴颈位置有铸造缩松问题，且肉眼可见。分析其成因是：在冷铁供应存在问题的条件下，曲轴造型省略了补缩所使用的冷铁。在恢复冷铁工艺后，曲轴铸造缩松问题得到了圆满的解决。由此可见，铸造缩松对于曲轴疲劳强度的影响是非常显著的。
1.3黑色带层及灰斑对曲轴疲劳强度的影响在常规工艺条件下，球墨铸铁曲轴断口多呈现出灰色或银灰色，曲轴本体以及抗拉试棒断口同样应当有此类表现。对于黑色带层问题而言，其主要是受到灰斑在疲劳试验曲轴轴颈往复式运动的影响而形成的，而灰斑的产生则主要是受到了铁水中硅偏析的影响。以往研究中在对某批次球墨铸铁曲轴进行疲劳试验的过程当中发现曲轴断面出现了异常的黑色层以及灰斑。虽然此种问题在球墨铸铁曲轴中相对比较少见，但同样属于内部缺陷的一种表现形式，此问题的出现导致了曲轴疲劳强度受到不良影响，有黑色带层或灰斑问题的曲轴在正常使用过程当中可能提前出现疲劳裂纹，导致抗疲劳强度的下降。
2热处理工艺对球墨铸铁曲轴疲劳强度的影响分析
2.1正火和中频淬火工艺对曲轴疲劳强度的影响已有研究中显示，对于球墨铸铁曲轴而言，在经过高温正火处理后，能够将其中所存在的游离状态渗碳体消除掉，从而能够起到调整基体中铁素体以及珠光体形态，以及两者构成比例的目的。通过这种方式，使球墨铸铁曲轴的综合力学性能得到了提升，促进了抗疲劳强度的改善。同时，在球墨铸铁曲轴制造过程当中，通过进行中频淬火处理的方式，能够使球墨铸铁曲轴表面形成具有一定深度的淬硬层，其对于改善曲轴自身耐磨性能有重要意义。但也有研究中认为：传统的非圆角淬火工艺下会导致曲轴淬火区与非淬火区交界位置产生失衡且反向的应力关系，并对疲劳强度造成不良影响。因此，在引入中频淬火工艺的过程当中，需要尽量选择圆角淬火工艺，达到满意的处理效果。
2.2等温淬火工艺对曲轴疲劳强度的影响在球墨铸铁曲轴的生产过程当中，通过应用等温淬火工艺的方式，能够使曲轴获得主要的贝氏体成分，同时还可形成一定的马氏体组织以及残余奥氏体组织，力学性能上具有较高的强度以及韧性水平。已有研究资料中报道，针对受到化学成分偏离影响而造成球墨铸铁曲轴疲劳强度的不足的问题，通过应用等温淬火工艺的方式，解决了曲轴在热处理上的质量问题。等温淬火工艺的应用除了对改善球墨铸铁曲轴疲劳强度水平以外，还对提高曲轴自身耐磨性有重要价值，由此也有效延长了曲轴的使用寿命，综合效益确切。
2.3氧氮化工艺对曲轴疲劳强度的影响从化学处理的角度上来说，在球墨铸铁曲轴的制造生产工艺中，通过对曲轴进行氧氮化处理的方式，能够使曲轴表面获得具有高氮特点的化合物层，同时还可形成具有饱和特点的氧扩散层。受到氧成分以及氮成分渗入的影响，使得球墨铸铁曲轴表面层的化学成分发生改变，与之相对应的显微结构也有了非常显著的提升趋势，曲轴整体的耐磨性能以及耏疲劳性能均得到了有效的改善。需要注意的一点是，对于经过氧氮化处理的球墨铸铁曲轴而言，其抗疲劳水平的提高很大程度上会受到氧化层扩散水平的影响，在氮化处理后快速冷却，并在扩散层中形成饱和固溶体，或是形成高水平的残余压应力都能够促进疲劳强度的提高。正是由于在氧氮化工艺处理下，曲轴表面能够形成较深的扩散层，故而对延长球墨铸铁使用寿命也有相当重要的意义与价值。
二、正确处理工程质量与工程造价之间的关系
1.关系分析
在经济学理论中，我们还可以用质量成本这一概念，来详细阐述工程质量与造价之间的紧密联系。
（1）内部故障成本
这部分成本费用主要是指工程施工过程中，由于缺陷问题以及处理缺陷问题的总资金投入。例如：事故处理费用、停工损失费用以及减产损失费用等等。
（2）外部故障成本
这部分成本费用主要指在工程施工结束并投入运营以后，再次发生质量缺陷问题并进行处理所需资金投入。例如：保修费用、折价损失费用以及申诉费用等等。
（3）鉴定成本
这部分成本费用主要是指对产品鉴定所需费用总和。例如：材料检验费用、工序检验费用等等。
（4）预防成本
这部分成本费用主要是是指为了使故障成本以及鉴定成本降低所花费用，包括了管理培训费、质量改进措施费、新工艺评审费等。其中，控制成本属于质量保证费用，与工程质量水平之间成正比关系，当工程质量越高时，控制成本也会增加；而故障成本则属于损失性费用，与工程质量水平之间成反比关系，当工程质量越高时，故障成本会降低。它们之间的关系。从经济角度出发，最佳的工程质量水平应在图中Qm点附近。当实际工程质量水平Q＜Qm时，应采取各种预防措施和保证工程质量的措施，以提高质量标准，使之能向Qm靠近；当实际工程质量水平Q＞Qm时，则应适量放宽质量标准，使工程造价降低，使之向Qm靠近。因此，在我国当前的工程项目管理中，迫切需要的是降低建筑工程的故障成本。然而，这部分成本因素当工程质量不存在缺陷时，则会随之消失。
2.如何正确处理两者之间的关系
基于以上辩证统一性分析和所得出的成本质量理论，为了更好的处理工程质量与造价之间的关系，在建设工程中，应积极贯彻技术与经济相结合的原则，在保证工程质量的同时，实现对工程造价更好的控制。这就要求建设企业应深入分析工程的功能特点和实际需要，以合理的确定质量标准。
（1）材料的管理
（2）机械与人力的管理
（3）专业分包的管理
对于总承包建筑施工单位，应合理的进行专业分包，即可以分担质量风险，又可以减轻资金压力。对于机械设备投入大部分项目工程，如桩基础工程、垂直运输等分包给有专业资格的承包商，虽然利润受到一定影响，但不必承担设备购买、减值及维护等资金压力和质量风险。对于技术性强的关键工序，也可以进行分包，比如卷材防水、玻璃幕墙等，缺乏长期训练有素的专业工人和管理人员施工操作，这些工序经常会留下遗患，造成不必要的返工和返修。
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铸造过程是一个液态金属充填铸型型腔的过程,本次介绍的是不包括液态金属流过型腔并且冷却的过程,不考虑液体流动过程,仅仅是模拟在金属液体全部充满后冷却的过程,这个过程是包含了许多对铸件质量有重要影响的物理过程和现象。在长期的生产实践中由于缺乏考察这一过程,并且对整个冷却凝固过程没有确切的数据说明,只能依靠设计者的经验积累和现场试验,因此阻碍了铸造行业的发展。如果能对铸造过程进行模拟,对优化铸造工艺,预测和控制铸件质量和各种逐渐缺陷以及提高生产效率都非常重要。凝固过程温度场数值模拟可以实现以下目的:提供浇注冲型时序图,凝固过程可视化,预测缩孔,缩松等宏观缺陷,为预测铸造应力,微观组织等提供基础数据,分析评价并通过控制凝固条件优化铸造工艺,减少工艺准备失误率,缩短试制周期,降低试制成本。所以对铸造模型的温度场的模拟是十分有必要且意义重大。
铸造过程的温度场的模拟主要取决于热传导的问题,这个过程主要是液态铸件的冷却凝固过程与铸型的温度不断上升的过程,此过程为热传导,所以对于温度场的模拟主要抓住热传导理论。对于具体问题要具体对待,对于热传导问题主要考虑对流散热系数的选取,也就是边界条件,其中边界条件分三类:
第一类边界条件----温度边界条件,即物体与外界接触周界的温度已知。这类边界条件称为狄利克莱问题。
第二类边界条件----导热边界条件,即物体边界在法线方向上的比热流量已知。这类边界条件成为牛曼问题。
第三类边界条件----热交换边界条件,即在边界上已知物体与外部介质的热交换情况。设边界外周围介质的温度为T已知,介质与物体之间的热交换系数为α,物体的热传导系数为λ,则在边界上的热交换条件为:
此类边界问题又称为劳平问题。高温零件的受热边界大多属于第三类边界条件。所以本次铸造过程的温度场的数值模拟所施加的边界条件为第三类边界条件。
下面就本次模拟的过程以及分析过程详细说明名如下,其中主要是在Ansys中的分析。
脲醛呋喃树脂是呋喃树脂系列产品中的一种，是自硬呋喃树脂砂中应用范围最广、应用量最大的一类树脂。它是糠醇和尿素甲醛的反应产物，其耐热性、耐水性、耐化学腐蚀性极强，对酸、碱、盐和有机溶液有优良的抵抗力。脲醛呋喃树脂的一个重要用途是在机械工业的铸造工艺中作砂芯粘结剂，特别适用于大规模的、大批量的机械制造，如航空、汽车、内燃机、柴油机、缝纫机等的生产[1-3]。可根据不同要求生产不同含氮量的呋喃树脂，以满足铸钢、铸铁和其他有色金属铸造工艺的要求。在一定范围内，随着含氮量增加，以脲醛呋喃树脂配制的自硬砂的常温强度相应提高。实践证明,用含氮量13%的树脂配制的自硬砂，其高温强度只有含氮量为7%～8%的树脂的1/2左右[4]。而脲醛呋喃树脂中的含氮量，一般采用克氏定氮法[4]，方法繁琐，费时较长，不利于快速分析的要求。
本文利用气相色谱法对脲醛呋喃树脂中氮的含量进行了分析，并建立了测定方法。该方法简捷、快速、重现性好、准确度高，克服了常规法的繁琐不便，可很好地满足快速分析的要求。
1.实验部分
1.1仪器与试剂
GC-910F气相色谱仪（上海科创色谱仪器公司）；TCD(热导池检测器)；2.1mm×1.5m不锈钢柱（内填四乙烯五铵/403载体）。呋喃树脂“标样”为用化学法测得氮含量的树脂样品，所用其他试剂均为分析纯试剂。
1.2色谱条件
载气(H2)0.05MPa；进样口温度310℃，柱温105℃，检测温度115℃。
1.3实验方法
1.3.1定性分析：采用已知样保留值对照法，确定被测样品中确有氨峰（tR=0.30min）。科技论文。
1.3.2定量分析：在10mL容量瓶中，分别用移液管移取5.00mL树脂标样(1#-5#)，加入20%NaOH水溶液至刻度，摇匀待用。科技论文。在1.2色谱条件下进样1.5μL，用外标法计算，绘制工作曲线。
2结果与讨论
2.1定性分析
按1.2色谱条件分别实验了氨水(A)、水(B)、20%NaOH+Na2SO4水溶液(C)、20%NaOH+(NH4)2SO4水溶液(D)、20%NaOH+呋喃树脂(E)，结果见表1。
（1）铸件综合质量差
我国有色金属合金铸件综合质量差异较大，在外观和内在质量等方面都与世界标准有一定距离，另外加工生产过程中加工率低、加工余量大，生产资源浪费严重。导致这些问题存在的原因主要是因为我国金属铸造身缠设别和工艺均比较落后。
（2）铸造工艺装备基础条件差
造成我国有色金属铸造业发展受阻的主要原因是铸造工艺设备和基础设施不配套，加上生产条件苛刻，均在一定程度上影响了金属铸件的质量和发展。这些问题具体表现为金属模具设计不合理磨具制造过遇粗糙，重视不够；金属加工辅料分散，生产设备简陋、质量检验技术不过硬、测试渠道和材料资源匮乏。另外金属加工行内执行标准不严，对于有色金属铸件加工标准定位不清晰，企业生产不规范最终导致产品质量不过硬资源浪费严重，废品率有的高达30～50%[2]。
（3）环保、能耗问题严重
由于生产和开发设备落后导致采集过程中产生大量的废水、粉尘、废渣及废气，资源环境破坏严重。废水的漫流也已不同程度的污染了河流湖泊等水域。而后期治理污水和给国家政府及企业带来较大经济负担。所以有色金属铸造生产设备和生产方式及管理水平的落后导致的环保和能耗问题对人类生活经济和健康都造成了巨大影响干扰，需要引起大家重视。
（4）技术落后，人才缺乏，新工艺新产品开发能力不足
由于近乎铸造业工作轻度大、环境差等问题长期得不到有效解决，所以造成企业技术人员流失严重，招工困难，技术人才的缺失直接影响了金属铸造的工艺优化和改革。虽然有些企业也引进了不少国外先进的生产设备和工艺但由于缺乏核心技术人才，导致设备利用率不高，新工艺和新产品严打能力明显不足。
2.我国有色金属铸造业的发展方向
（1）加强对有色金属铸造新工艺、新材料、新设备的研究
推动我国有色金属铸造业的发展与应用关键是要不断加强有色金属论文铸造新工艺、新型材料和新型设备的研发。具体措施有引进国外先进生产工艺不断学习和交流经验掌握新工艺，充分使用计算机技术来控制稳定产品质量；加强国内科研人员在新型材料和工艺设计及质量稳定等方面的研发和探索，优化创新研究资源全面促进我国有色金属铸造业稳定和谐的发展。
（2）开发环保型铸造原辅材料
新型环保铸造原辅料不仅能改善有色金属铸件加工带来的资源浪费等问题同时也能减少废弃物的排放和产生，使环境污染程度大大降低。其中我们可以根据不同有色金属的铸件生产特点和开发环境及生产材料的特点建立新的高米迪黏土型砂相原辅料体系不断探索新的原辅料加工应用渠道。同时也要不断探索新的材料生产方法和理论不断优化完善生产方式。走循环经济之路，利用好节约环保的新型原辅材材料和资源确保铸业的可持续发展。
（3）注重能源与环保立法
加强有色金属铸造业的管理与保护，严格执法、完善立法，制定有色金属资源有偿使用的法规和实施细则。严格控制好金属铸造废弃物的排放标准，严格杜绝有色金属铸件加工过程中的资源浪费另外还要加强环境保护的宣传力度，使铸件生产对环境的污染减小到最低程度，实现经济效益的同时，不要忽视环境效益，进而实现有色金属铸造资源与人类的和谐发展[3]。
（4）注重自主创新
注重自主创新不仅能加快有色金属铸造业的资源整合和产品开发进程同时也能提高企业核心竞争力。一方面要对有色金属铸件加工管理制度上进行自主创新，不断完善有色金属铸件加工的质量和工艺管理制度提高加工效率。另一方面还要对人才和技术进行优化和创新，要实行环保设施资源共享、加大技术人才的培养和培训、密切掌握金属加重市场信息和分析市场发展趋势，顺应市场发展机制开发新型设备和材料及生产工艺不断满足国民经济的增长需求提高有色金属铸造业的质量和数量参与国际竞争。
3.结语
在此形势下，应加快我国丰富、优质、廉价资源的开发和技术进步，走规模化、集团化、产品深度加工的道路，通过采用高新技术，特别是具有自主知识产权的关键技术和装备，全面提升传统产业技术水平和产品档次，为汽车和电子信息、通信、家电等行业提供轻质合金材料制品，并努力扩大出口，以低成本、高附加值产品参与国际竞争。
[参考文献]
论文摘要:本文主要阐述借助于Alatir公司的Hyperworks结构优化软件，对精密铸造产品进行结构优化设计，且以对某汽车驾驶室后悬置支架的结构优化为例，着重介绍了拓扑优化和形状优化在精密铸造产品结构设计上的应用方法及功能。事实表明拓扑优化和形状优化的联合应用，对精密铸造产品的结构设计起到非常关键的帮助作用，最后通过此软件对优化后的产品结构进行有限元分析，验证优化后产品结构的强度和刚度。
HyperWorks在精密铸造产品优化设计中的应用
一、引言
在当前的汽车工业中，减轻设计重量和缩短设计周期是两个突出的问题，在传统的设计中，由于机械产品机构的复杂性，长期以来主要应用经验类比设计，对产品结构作定性分析和经验类比估算，在决定实际结构时，一般都取较大的安全系数，结果使得产品都是“傻”、“大”、“粗”，使材料的潜力得不到充分发挥，产品的性能也得不到充分的把握。所以传统的汽车设计思路已经不能满足当前设计的需要。汽车轻量化设计开始占据了汽车发展中的主要地位，它既可以提高车辆的动力性，降低成本，减少能源消耗又能减少污染。但是，简单的汽车轻量化设计却是一把双刃剑，它在减轻汽车重量的同时，也牺牲了车辆的强度和刚度，甚至对产品的结构寿命也产生影响，在此情况下，有限元分析方法在汽车设计中的合理应用就得到了充分体现，经过近几年的实践证明，Altair公司的有限元分析技术以及拓扑优化技术在汽车行业获得了非常成功的应用。特别是对于一些结构复杂的汽车铸造结构件，Hyperworks的有限元分析技术、拓扑优化和形状优化技术的推广使得材料的潜能及铸造的优势得到了充分的发挥。
本文将详细介绍利用Hyperworks的拓扑优化和形状优化技术对东风商用车驾驶室后悬置支架进行减重优化设计的应用过程。以及如何应用Hyperworks验证改进结构后的应力和应变情况，使该后悬置支架减重优化后的结构能够满足产品的使用性能和铸造工艺性要求。
二、有限元法的概念和优化设计流程确立
2.1有限元法和有限单元的概念
另外从实体单元能够把三维图形原封不动地适用于结构分析的模型上这一点来说，对于结构复杂的零件，采用实体单元是很好用的单元。实体单元有六面体、五面体、四面体，在用自动生成的情况下使用四面体较多。从分析精度而言，使用六面体为好，自动生成的三维形状也有必须限制用于六面体的等等，五面体单元在评价应力时尽量不使用此方法为好。壳单元有三角形和四边形单元，对于板单元尽量使用四边形单元，对于实体单元尽量使用六面体单元。使用三角形或四面体单元与使用四边形或六面体单元时相比有使结构增加刚性的模型化倾向。在本文我们所做的驾驶室后悬置支架的优化计算中，由于结构和受力状况的复杂性，我们采用实体单元与壳单元相结合的划分方法。
2.2确立优化设计流程
在利用Hyperworks软件做优化分析时，通常的流程是首先读入CAD模型，然后划分网格，添加边界条件，设置优化分析模型参数。优化分析模型一般是由目标函数、约束条件、优化设计变量三个方面组成，借助于Hyperworks软件的OptiStruct模块，对于后悬置支架的轻量化设计，在现有的计算机条件下可以很方便的实现。首先，在轻量化分析过程中，一般选取优化设计变量为支架的体积的减少量，然后采用传统的拓扑优化方法，将总体的应变能作为目标函数。在本次后悬置支架的优化分析中，主要采用OptiStruct模块的拓扑优化和形状优化。首先，拓扑优化可以获得一个最佳的结构布局——即最佳的材料分布；然后在这个最优结构布局的基础上按照实际设计需求形成一个新的设计方案，并反馈到CAD软件中，形成新的CAD模型，最后应用更仔细的形状优化工具，同时添加适合铸造的约束条件，得到最有效的细节设计方案。
图(1)代表了该后悬置支架的简单优化设计流程，从最初的模型导入，以及之后的约束条件与目标函数的设定，同时包括制造工艺参数的设定，最后通过形状优化得到的最终设计方案。
根据优化需求，将三维模型
进行非安装部位的材料填充
导入三维模型
图（1）拓扑与形状优化流程图
三、有限元模型建立和边界条件确定
3.1有限元模型建立
3.1.1后悬置支架原始结构分析
由于驾驶室后悬置系统布置方式比较复杂，整个驾驶室后悬置系统由安装于浮动横梁上的左右各一个橡胶缓冲块支撑，两个悬置支架对称的垂直立于车架大梁上，中间用一弧型横梁连接，在悬置支架的两侧对称的布置两个筒式减震器，而本文所要优化分析的后悬置支架是整个系统中受力最为复杂的关键零件。该零件在原始设计中，由于整个机构的复杂性，对产品的性能未能充分把握，在进行设计时只能作定性分析和类比估算，确定实际结构时，选择的安全系数过大，致使设计出来的产品结构过于笨重，粗大，缺乏美观。另外，由于对实际的受力点未能牢牢把握，导致结构材料分布不够均匀，铸造工艺性较差。原始结构见图（2）
图（2）原始结构模型图
3.1.2有限元网格划分
有限元网格划分是进行有限元优化分析至关重要的一步，有限元分析的精度和效率与网格单元的密度和几何形状有着密切的关系，并且有限元网格划分的好坏，对后续数值计算结果的精确性有着直接的影响，它不但涉及单元的形状及其拓扑类型、单元类型还有选择什么样的网格生成器、网格密度的定义、单元的编号以及几何体元素等等。所以在实际应用中，选择合理的网格单元对整体模型的分析有重要的影响。根据上述介绍，结合后悬置支架结构的复杂程度以及优化分析的要求，对其采用实体单元网格划分，同时，在非干涉和装配部位进行必要的材料填充；另外，对分析过程中涉及到的弧形横梁因结构简单，属于简化梁结构，故采用壳单元的划分方式。
具体网格划分见图（3）
后悬置支架
弧型横梁
图（3）有限元网格模型
其节点数和单元数见表（1）
表（1）后悬置支架及横梁的节点与单元数
3.2确定边界条件及设置优化参数
3.2.1确定边界条件
由于驾驶室后悬置系统是以垂直方式布置，在车辆高速行使时，路面通过悬挂系统传递到驾驶室的冲击，发动机、传动系传递到驾驶室上的振动，以及侧向减振器所带来的瞬时冲击，是我们分析时主要考虑的因素。
计算时考虑驾驶室受垂知方向4G（瞬时），侧向2.5G（稳态）的冲击，同时对支架底端与车架大梁连接处用螺栓固定，该产品受力工况及约束条件如下图（4）所示
图（4）后悬置支架受力工况
3.2.2材料属性及性能参数
该后悬置支架采用ZGD410-700制成，其材料参数如表（2）所示。
表（2）车身后悬置支架材料参数
四、拓扑优化和形状优化
4.1车身后悬置支架的拓扑优化
拓扑优化就是在产品初时设计阶段，利用优化计算得到满足设计要求的结构外形，并且可以返回到CAD，进行详细的结构设计，然后再利用形状或尺寸优化调整细节，最终得到满足要求的设计方案。对于这个后悬置支架的拓扑优化，主要问题是怎样使支架结构合理布置，以及如何最好的模拟支架所受的垂直载荷和侧向载荷。
在本次拓扑优化过程中，采用后悬置支架与横梁整体分析，但对后悬置支架单独优化的方式，这样获得的结果更趋近于真实的情况。由于拓扑优化对加强筋及凸缘刚度的敏感性较高，因此在采用传统的拓扑优化方法，定义设计变量时，将体积和应变能作为目标响应，设计空间的体积减少量作为优化的约束条件，总体的应变能作为最终的目标函数，这里的总体应变能不仅包括设计空间的应变能，同时也包括非设计空间的应变能。最后，根据拓扑优化结果云图，返回CAD模型，结合精密铸造工艺，尽可能的凸出筋骨，减少大平面，在遵循实体最小原则下重新进行三维设计造型。优化云图及结构优化方案见图（5）
拓扑优化云图（一）
拓扑优化云图（二）
结构优化方案
图（5）拓扑优化云图和结构优化方案
4.2车身后悬置支架的形状优化
图（7）
为形状优化建立了有限元模型之后，我们要将适合铸造的工艺参数、应力标准和屈曲要求作为形状优化的设计约束，将质量最小化设为设计目标函数，对于应力约束，设计约束不允许该处的最大应力超出材料的屈服极限，同时在实际优化过程中，该处结构的厚度只能要求向内侧移动，高度只能向上移动。最终经过形状优化后结构见图（8）所示：
图（8）形状优化后最终结构图
五、结构验证与对比分析
经过拓扑优化和形状优化，我们最终得到了较为理想的设计方案，为了验证该优化方案的可靠性，特对此机构进行有限元分析计算，同时对用传统的经验类比方法设计的优化方案进行分析对比。用传统经验类比方法设计的方案如图（9）
图（9）传统优化设计方案
结合实际受力情况对传统优化设计方案和拓扑优化方案分别做有限元验证分析，应力云图见图（10）
传统优化设计方案应力云图
拓扑优化方案应力云图
图（10）方案验证应力云图
由以上分析可知，传统优化设计方案最大应力高达726MPa，出现在台肩处，而拓扑优化方案的最大应力虽然达到576MPa，但是位置出现在弧型横梁上，与传统优化设计方案相比，相同位置的最大应力由710MPa减少到216MPa。其对比参数见表（3）：
表（3）优化前后结构性能对比
六、结束语
经过上述优化方案的对比，我们可以很清楚的看到，利用传统的优化方式和利用Hyperworks的拓扑和形状优化方式的差别，虽然重量相差不多，分别下降了35%和35.5%，但是在同种工况作用下，传统方式优化的产品结构多处应力超出材质屈服极限，且最大应力达到了726MPa，远远超出了材料的屈服极限，在使用过程中很容易就发生断裂；而采用Hyperworks的拓扑和形状优化方式优化的产品结构最大应力只有230MPa，低于所使用材质的屈服极限410MPa，且同一部位由传统优化结构的710MPa减少到218MPa，同比强度增加了2.65倍，刚度增加了1.27倍，并且优化后的产品结构更适合于铸造工艺。
由上述可知，车身后悬置支架的优化设计验证了HyperWorks软件的OptiStruct模块在精密铸造产品的成功应用，说明了此技术在工业制造中具有非常优秀的特点，打破了生产单位不能独立改善产品结构的历史。随着工业产业的发展，OptiStruct的优化概念将会被越来越多的人接受并有效运用，届时它将真正成为产品结构设计工程师的左膀右臂。
参考文献
1、张国瑞有限元法北京机械工业出版社1991
【关键词】铸件轴承座高度方向尺寸标注加工工艺合理性
一、铸件设计尺寸的不协调
零件图的尺寸标注，除了要满足正确、完整、清晰的要求外，还应使尺寸标注合理。合理标注尺寸，是指所注尺寸既符合设计要求，又满足工艺要求，便于零件的加工、测量和检验。
铸件成品形体是由少数加工尺寸和多数铸造尺寸环所限定，设计人员对铸件的各个尺寸环不但要求进行结构和数学的计算，还要求充分分析每个尺寸环在形成时的专业分工。至于用什么手段才能达到图纸要求的各个尺寸环、表面尺寸、形位精度等，可留给工艺师们去解决。一张成熟的设计图要起到指导铸造、机械加工、检验、装配、生产管理等各个专业工序的作用，是工业生产中重要的技术文件，是进行技术交流的重要工具。而不仅仅是图面尺寸对头、技术条件俱全、投影清楚而已。故工程师绘制的应是包括工业因素在内的工程图而不仅仅是几何图。
以某轴承厂壳体类零件的生产用图为例，图一系一滑动轴承座，属于一种结构较为复杂的铸件。对于这类铸件，通常它们只有少数表面尺寸环需由机械加工完成，其成品中仍然存在着大量的铸造完成的表面、空间及尺寸。
在生产过程中，这种壳体类零件在铸造和加工中所反映出的尺寸标注的矛盾大都集中在高度方向上，而在其他方向上的矛盾还没有这样的普遍和突出。
为了阐述方便，在高度方向上，我们把四个加工面赋以B、C、D、F，将3个非加工面分别赋以E、G、H代号，对此图略加分析既可看出，设计人员在高度方向的尺寸标注遵循的是“以零件的设计基准面，即最大的加工面作为尺寸标注的基准”的原则，故此图在高度方向上的各个尺寸环几乎都是以大底座为基准的。
对图形进行尺寸标注时，设计人员往往把尺寸计算视为可逆的，无方向性的。可由高度方向上任一毛面或加工面作为尺寸计算的起始点，进行正、反方向的计算，均可得到标注的或未标出的任一尺寸环的值。这样的设计思路和不经工艺分析的尺寸（和公差）堆砌作法，给铸造、机械加工、检验等工序乃至设计者本身带来了一系列不协调。如省下列几个方面：
1.高度方向尺寸的矛盾
图1在高度方向上以从上到下给出了10、80、35、30、5、20共六个尺寸，其中30、5、20共三个尺寸将E、G、H三个非加工面与底座连起来。当加工大底座面时，就同时出现了E、G、H三个毛面基准，而且这些毛面之间都存在较大的铸造误差，工艺师在加工F面同时达到30、5、20三个尺寸是不可能的，这些尺寸只是在制作铸型时有些用处。
从工艺和保证功能尺寸的观点出发，应选E面为初始基准，保证底座厚度30，由于铸造时型心的错位误差，会使底座凹台深5、20等非功能尺寸面目全非，使得检验人员无所适从。这样的情况在中小批生产中是常见的。这虽然是由工艺或操作造成的问题，但设计同样也不应该在标定尺寸要求和检验依据时，人为地把铸造和加工两种误差撮合在某一或某些尺寸环上，因而加剧了专业和尺寸环之间的不协调。
2.高度方向上和各面之间的关系
画图和计算尺寸时，各面之间可以互相确定关系。但在工件上各面的形成却是有严格的先后顺序；尺寸的形成有严格的方向性、跟踪性，各尺寸值在设计人员手中是“标量”，而在工艺人员手中却成了“向量”。把主要尺寸基准选定为F面，但它却必须是以先期铸成的E、G、H各毛面之一为基准才能加工出来。工件上已铸成的各个毛面是已存在的面，已谈不上图上表示的用毛面为基准加工出的光面再反过来确定毛面的位置了。
加工F面时不可能同时选用E、G、H三个毛面基准，但这种画法在工厂中却习以为常，我们只能选用E毛面为初始基准。E、F面之间乃是“母子”关系，E毛面是第一（始）基准。F面是第二（子）基准，F面不能称其为全部高度方向尺寸的主基准，它不能定毛面，而只能被毛面所确定。它在工艺上作为继续加工D、B两光面，形成35、80两功能尺寸的光基准。因此，F面虽是设计、安装和检验等环节的基准。但在加工工艺中它只是一个被加工的对象，只是一个加工其他光面时的中间转换环节。在零件被制作的过程中，并不像教材和零件图中所表示的那样重要。
3.粗基准的选择
“国家”在她心中深深地扎下了根。抗战胜利后，父亲带着一家人几经辗转回到北京。她中学就读于北京女一中，曾被评为当时为数不多的北京市第一批三好学生。1956年，她以第一志愿考入北京航空学院热力加工系。1958年9月，随国家院系调整，她来到西北工业大学热加工系铸造专业学习。结束了5年紧张的大学生活，她没有选择回北京，而是留在了西北工业大学。从此，张立同开始了她几十年的奋斗征程。
上个世纪70年代初，发达国家已将一些重要的涡轮叶片生产由锻造改为无余量熔模精密铸造，叶片的工作面无需加工，就可达到所要求的尺寸精度和表面光洁度。当时，我国的熔模铸造技术还十分落后，即使增加抛光余量的叶片，变形报废率仍高达30％～50％。而一片高温合金叶片的价格相当于她当时4个月的工资，这对于我们积弱积贫的国家来说是多么大的浪费呀。强烈的忧患意识使张立同在那样一个批判“唯生产力论”逆风劲刮的年代，勇敢地承担了“高温合金无余量熔模精密铸造叶片新工艺研究”课题。
张立同深知，解决叶片变形问题是发展无余量熔模铸造工艺的基础。当时不少人都涉及过叶片变形问题的研究，却没有结果，“叶片变形无规律可循”似乎成了“真理”。她偏不信邪，明知山有虎，偏向虎山行。
张立同认为这只是进了门，以后的路更艰难。她领导课题组全面铺开了“无余量熔模精密铸造新工艺”的研究工作。他们在国内率先提出，发展“具有优良中温抗蠕变性”的高岭土陶瓷型壳材料替代昂贵的电熔刚玉的思路，先后研制成功上店土、峨边土等新型陶瓷型壳材料，成功地解决了困扰航空熔模铸造生产十几年的刚玉型壳高温变形问题。她还揭示了熔模铸造模料组成、微结构与性能的关系，研制成功一系列高性能模料，研究发展了保温壳型工艺和低热应力熔铸工艺等。1976年，他们用上述工艺铸造出我国第一个无余量叶片，验证了无余量工艺材料的潜力。
机遇总是垂青有准备的人。1976年，我国引进的一种发动机技术中，陶瓷型壳材料、模料和陶芯等分属三个厂家专利，还需另花大量外汇去买。在大家束手无策、进退两难时，张立同抓住了这个机会，胸有成竹地提出，用他们课题组自行研制的上店高岭土材料和模料来替代进口材料，研制无余量叶片，并毅然承担了这项国家急需的攻关项目。
这个项目不仅涉及到大量研究工作，还涉及到不少材料的定点生产问题。当时，不少生产部门处于瘫痪状态，研究工作的难度可想而知。为了寻找材料的定点厂，张立同跑遍了铜川矿区。没有设备仪器，自己研制。开发的高温强度、透气性、膨胀、抗蠕变、表面湿润仪等十多种材料性能测试仪填补了国内空白。夜以继日的工作，使她没有白天黑夜之分。一天深夜，她独自在实验室工作，实在太累了，一不小心被喷出的高温蜡糊住了双眼，灼热的痛苦以及旷日持久的疲劳几乎使她丧失信心，委屈伤心一刹那涌上心头。可是第三天，眼伤未愈，她又进了实验室。
凭着这种拼命精神，张立同带领课题组经过一千多个日日夜夜的奋战，1980年，他们终于成功地铸造了我国第一批高精度、低粗糙度的低压一级无余量空心导向叶片。外国公司的专家抱着怀疑的态度将上店土型壳材料、模科和叶片带回国鉴定。在精确的测试数据面前，外国专家信服了。从此，课题组的无余量铸造工艺研究成果得到国际认可，终于使我国的熔模铸造水平跨入国际先进行列，这为发展我国新型发动机复杂内腔叶片及薄壁复杂整体构件的生产，奠定了理论和工艺基础。产品远销国外，产生了巨大的经济效益。据当时的初步统计，仅就使用“无余量精铸工艺”所减少的铸件废品，以及采用上店土所降低的成本．每年在一个厂就节约数百万元。
张立同又带领课题组接连攻克了“铝合金石膏型熔模铸造”和“高温合金泡沫陶瓷过滤技术”等航空领域重大课题的关键技术。1985年，一举获得国家科技进步一、二、三等奖三项。
勇攀新高峰
1991年1月，张立同回到西北工大。近两年的国外研究经历使她坚信航空航天用结构陶瓷一定是高可靠性的，更坚定了发展“具有类似金属断裂行为的连续纤维增韧高温陶瓷基复合材料”的决心，以及占领这一高技术领域的信念。她的两个学生成来飞和徐永东与她同样执著，他们一直等待着她的归来，这种师生情谊和信任更增添了她的信心和力量，以后的艰难路程是他们一起走过来的。为了在我国发展连续纤维增韧高温陶瓷基复合材料，张立同到处呼吁，四处奔走争取经费，却没有得到支持。成来飞和徐永东也更深地体会到这项事业的艰难。
课题组在经费十分困难的情况下因陋就简自制了一台热压机。1992年的冬天，西安特别冷，为了调试热压机，他们在冰冷的实验室度过了春节。功夫不负有心人，课题组很快在热压自增韧氮化硅性能上取得突破性进展。
1993年的全民经商风又给张立同的课题
组带来了新考验，是放弃航空材料研究去搞开发，还是坚持发展陶瓷基复合材料的方向张立同发动大家进行了热烈讨论，“我们不能散伙，既要做教授，还不能做穷教授”，“要发挥群体力量去赚钱，稳定队伍、积累资金、等待机遇发展陶瓷基复合材料”成为大家的共识，她被感动了。从此确定了“航空为本、扩大基础、重点突破、军民两用”的发展策略。全组齐心协力，当年就在高温陶瓷材料的应用开发上取得了很好的经济和社会效益。利用挣来的钱，还研制了一台纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料制备的小型CVI炉，拉开了“碳化硅陶瓷基复合材料研究”的序幕。
碳化硅陶瓷基复合材料的研究很快有了结果，初步的性能数据令人鼓舞，也迎来了“九五”的发展机遇。而意想不到的困难却接踵而来。当把实验型技术与设备向工程型转化时，所遇到的困难几乎使张立同课题组对CVI工艺丧失信心。
1995年．国际CVI碳化硅陶瓷基复合材料的技术鼻祖、法国波尔多大学Naslain教授被盛情邀请到西北工大，Naslain教授在看过他们研制的设备后，毫无表情地说：“我掌握CVI工程化技术花了20年，你们至少要用10年。”
十年磨一剑，张立同和她的研究群体抵制住了学术界的浮躁风，他们深信，科学的道路是一步步走出来的。他们先后获得国家安全重大基础研究、国家“863”和国防基础研究等十余项国家项目的支持，建立了跨学科的合作队伍。为满足国内外对SiC陶瓷基复合材料迅速增长的需求，已逐步形成了基础研究、应用研究和应用开发相融合的发展链条。发展产业，降低成本，建立中国品牌，以解决“用得起”的问题。
10位教授、20位博士、100余名研究生，1000平方米的国际化标准厂房、3000余平方米的实验大楼，一系列自行研制的国内独一无二的复合材料制造设备和多台进口的复合材料测试设备，同法国波尔多大学、德国宇航院、日本京都大学、韩国机械研究院，以及多家国外大公司的紧密联系，使张立同的超高温复合材料实验室正在向名副其实的国际化实验室迈进。
随着科学技术的迅猛发展，“优势互补，学科整合，共同发展”已成大势所趋。张立同促成了厦门大学化学化工学院材料系与西北工业大学超高温复合材料实验室的强强联姻。西北工业大学进行陶瓷基复合材料及构件研制，厦门大学进行超高温复合材料所需特种先进原材料的研制，东西呼应、各具特色，共同为国防现代化服务。