1. Применение программно-измерительного комплекса для
advertisement
Комплекс «ПИК-ТА» находит наиболее качественное применение в дополнении к программе компьютерного моделирования процессов литейного производства ProCAST. Для того чтобы иметь более полное представление о программе ProCAST и её взаимодействие с комплексом «ПИК-ТА», предлагаем Вам ознакомиться с нижеприведенной информацией. Пакет ProCAST, разработанный компаниями UES Inc. (США), Calcom SA (Швейцария) и JIPS (Япония), является профессиональной и эффективной системой трехмерного компьютерного моделирования литейных процессов с использованием метода конечных элементов. В пакет ProCAST входит полностью автоматический генератор трехмерной сетки, а также интерфейс с наиболее распространенными системами трехмерного проектирования (CAD). Это одна из немногих доступных сегодня на рынке систем, которая обеспечивает полное совмещение моделирования тепловых процессов, процессов течения и возникновения напряжений. Высокая достоверность результатов расчета и широкий диапазон моделируемых условий предопределили распространенность этого пакета. Сегодня его используют более 190 предприятий, среди которых крупнейшие машиностроительные концерны: «Дженерал Моторс», «Форд», «Крайслер», «Ролс-Ройс», «Рено», «Тойота», «Хонда», «Катерпиллер», «Мартин Мариетта», «Митсубиси», «МАН», «Пратт & Витни», «BMW, Skoda Auto, Hyundai, Daimler Chrysler, Volkswagen. Среди пользователей в странах СНГ, уже сейчас успешно работающих с программным комплексом ProCAST, — одно из ключевых предприятий Республики Беларусь, входящее в восьмерку крупнейших мировых производителей тракторов, — ПО «Минский тракторный завод». Квалифицированное использование программы позволило сократить материальные расходы и время доводки изделий. Согласно экспертной оценке, одна локальная лицензия ProCAST за год позволяет проанализировать и отладить технологические процессы в среднем по восьми отливкам высокой сложности (таким, например, как головка блока цилиндров). Годовой экономический эффект от применения пакета составляет примерно 440 тыс. долл., что в несколько раз превышает затраты на оснащение рабочих мест необходимыми техническими и программными средствами. Другой яркий пример — ФГУП «ММПП “Салют”». Это крупнейшее российское предприятие, которое производит и ремонтирует газотурбинные двигатели для самолетов семейств Су и МиГ. В последние годы продукция «Салюта» все более заметна на рынке наземных газотурбинных установок для энергетики и транспорта. С началом производства этих изделий на предприятии быстрыми темпами стало развиваться опытное производство, увеличились вес и габаритные размеры литых деталей, существенно изменилась их номенклатура (в кратчайшие сроки потребовалось наладить выпуск более 150 таких деталей). Важным этапом стала разработка технологии литья — конструкции отливки и литейного блока, а также выбор параметров технологического процесса, обеспечивающих получение отливок высокого качества. Для совершенствования высоких технологий был создан отдел САПР литейных процессов (ЛП). С 2002 года на предприятии эксплуатируются три рабочих места российской программы для моделирования литейных процессов «Полигон». По мере накопления опыта отдел ЛП пришел к выводу, что необходима более универсальная программа, способная моделировать весь процесс кристаллизации отливки с учетом заполнения формы и сложного теплообмена излучением. Внедрение на «Салюте» комплекса ProCAST позволило охватить практически все вопросы, связанные с литейным производством. ProCAST — профессиональная система компьютерного 3D-моделирования литейных процессов методом конечных элементов. Система позволяет моделировать практически все варианты литейных технологий, включая свободное литье в формы, литье под низким и высоким давлением, литье по выплавляемым моделям и т.д. ProCAST представляет собой законченное решение, охватывающее широкий спектр литья металлов и сплавов. Большая часть сталей, чугунов, сплавов Al, Co, Cu, Mg, Ni, Ti и Zn представлена в соответствующих базах данных системы, открытых для пополнения и обновления. Интуитивно понятный интерфейс позволяет автоматически рассчитать свойства сплава, просто задавая его состав. Все модули моделируют реальную физику соответствующих процессов (теплопроводность, потоки, напряжения и т.д.) и, следовательно, применимы к любому типу технологических процессов литья, где должны учитываться эти физические явления. Модульного деления по виду применяемых материалов нет. Благодаря этому, например, один и тот же модуль течения Fluids Module может успешно применяться для чугуна, стали, алюминия и т.д. – причем система по умолчанию учитывает специфику расчета выбранного материала. Таким образом, программный комплекс ProCAST, применимый к различным технологическим процессам литья и располагающий сложным математическим аппаратом, адекватно описывает физику литейных процессов и позволяет полноценно проанализировать технологию с учетом любых условий литейного производства. Гибкость этого пакета в сочетании с практическим опытом его разработчиков гарантируют, что ProCAST позволит решать любые новые задачи, которые появятся со сменой технологий на предприятии. ProCAST позволяет: - прогнозировать микроструктуру большинства многокомпонентных промышленных сплавов, используя детерминированную модель, объединяющую макроанализ процесса теплопереноса во всех частях отливки с зарождением и ростом зерен; - производить инверсионное моделирование, заключающееся в объединении численных методов с термоанализом для определения граничных условий и теплофизических свойств отливки и формы; - производить расчет остаточных напряжений, пластических деформаций по специальному контактному алгоритму, обеспечивающему анализ контакта между отливкой и формой с последующим графическим выводом результатов вплоть до натеков и застывших капель. В результате расчета можно получить информацию о: температурных полях; полях скоростей; пористости (газовая и усадочная); образовании горячих и холодных трещин; внутренних напряжениях в отливке; короблении отливки; структуре зерен и их росте; макроликвации; и многое другое. Программа ProCAST позволяет моделировать следующие виды литья: Литье в землю; Литье с наклоном; Литье по газифицируемой модели; Литье под высоким давлением; Литье под низким давлением; Литье по выплавляемой модели; Центробежное литьё; Автоклавное литье. Моделирование течения расплава. Система ProCAST моделирует течение потока расплава со свободными поверхностями на основе уравнения течения НавьеСтокса и учитывает особенности различных методов литья. В ProCAST могут моделироваться процессы, возникающие при литье по выжигаемым моделям, с учетом газопроницаемости формы и т.д. Система эффективно моделирует процесс фильтрации расплава при заливке, учитывая заданную проницаемость, материал, положение фильтра в литниковой системе. Течение может моделироваться с учетом наклона системы «заливочный ковш — форма» или условий центробежного литья. Специальная функция позволяет определить, где именно в процессе заполнения будут скапливаться примеси или окисные плены. Кроме того, существует возможность моделировать подачу расплава в различные литники на определенное время (рис.1). Рис.1 Тепловой расчет. Модуль теплового расчета позволяет рассчитывать выделение скрытой теплоты с учетом задаваемого спектра выделения твердой фазы, что делает возможным моделирование поведения самых разнообразных сплавов. Возможна виртуальная песчаная форма, заданная только граничными условиями, но не имеющая геометрической модели. Таким образом, можно обойтись без построения дискретной модели формы, что сокращает число конечных элементов в расчете, а значит, и время самого расчета. Эффективно моделируется многоцикловая работа пресс-форм: учитывается постепенный прогрев пресс-формы в процессе выпуска партии деталей (многократное повторение цикла «впрыск — затвердевание — выемка»). В рамках теплового расчета моделируются процессы образования микро- и макропористости (рис.2). Рис.2 Расчет напряжений и деформаций. Модуль расчета напряжений позволяет вычислять как термические напряжения, так и напряжения, возникающие при взаимодействии отливки с формой и другой технологической оснасткой. Напряжения рассчитываются одновременно во всех областях геометрической модели (в отливке, форме, стержнях, холодильнике и т.д.) по упруго-пластичной или упруго- вязкопластичной модели. Свойства материалов (модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел текучести, кривая упрочнения) могут быть зависимы от температуры. Разработан специальный алгоритм для учета контактного взаимодействия между отливкой и формой. При этом тепловое сопротивление на границе между материалами является функцией имеющегося между ними зазора, который может меняться в ходе процесса. Модуль расчета напряжения позволяет рассчитывать остаточные напряжения, пластические деформации, «горячие» трещины и получать конечную форму отливки с учетом деформаций и действующих напряжений. Расчет усадки. По мере выполнения термических расчетов и анализа течения система вычисляет изменения плотности. Пользователь получает конечную геометрию отливки и данные по усадке. Рис.3 (зоны вероятного появления усадки) Рис.4 ( выявленные зоны усадки) Прогнозирование «горячего» растрескивания. Система выявляет места наиболее вероятного появления «горячих» трещин: карманы с расплавом и области, где отсеченный от питания расплав находится между вторичными ветвями дендритов. В расчетах также учитываются внутренние напряжения и деформации. Таким образом расчетная модель прогнозирования «горячих» трещин связана с остальными моделями, примененными в ProCAST, и в своем роде является уникальной, поскольку производит прогнозирование как на макро-, так и на микроуровне. Прогнозирование пористости. В системе заложено два понятия пористости: макропористость и микропористость. Появление макропористости связано с процессом усадки и проблемами подпитки отдельных зон отливки при кристаллизации: в результате отвердения этих областей образуются усадочные раковины. Что касается микропористости, то она обусловлена неравномерностью процессов охлаждения и проявляется на микроуровне. Возникновение микропористости связано с появлением аналогичных областей с жидкостью, но между вторичными ветвями дендритов, отсекающими питание жидким металлом. Благодаря модулю Porosity области появления макро- и микропористости можно рассчитать. Модель расчета тесно связана с прогнозированием «горячего» растрескивания, к которому пористость и может привести при появлении деформаций и внутренних напряжений. Система находит и отмечает зоны наиболее вероятного появления таких дефектов. Рис.5 (зоны вероятного появления пористости) Рис. 6 (Выявленные зоны пористости) Расчет теплоизлучения. Расчет теплоизлучения в процессе кристаллизации группы отливок (например, в печи Бриджмена) использует самые современные методы «чистой радиации серого тела». Система учитывает разнообразные эффекты влияния теплоизлучающих отливок и других элементов системы друг на друга: прямое воздействие тепловых лучей, эффекты отражения, затенения по законам «визуальных факторов». Нагревательные элементы, отражающий экран, система охлаждения могут двигаться относительно отливки по заданным законам, при этом значения визуальных факторов автоматически пересчитываются. Для расчета теплоизлучения должны быть указаны материалы отливки, параметры теплопередачи между элементами системы, граничные и начальные условия. Расчет микроструктуры. Чтобы прогнозировать микроструктуру материала при затвердевании, используются новейшие модели, разработанные в американских университетах и в институте EPFL (Лозанна, Швейцария). ProCAST может моделировать фазовые изменения в структуре формирующегося твердого чугуна или стали — с учетом выхода скрытого тепла и выделения таких фаз, как аустенит, феррит, цементит, графит и т.д. Обратное моделирование. Обратное моделирование позволяет уточнить конкретные параметры модели на основе имеющихся данных по уже отработанной технологии литья, замеров реальных температур и сравнения с результатами виртуального моделирования (сравнение «термальных историй»). Уточнению могут подлежать граничные условия системы «отливка — форма» (коэффициент теплопередачи, коэффициент теплоизлучения и т.д.), начальные условия (температура, давление впрыска), теплофизические характеристики материалов (теплопроводность, теплоемкость, скрытая теплота кристаллизации) и т.д. Определение искомых параметров производится путем минимизации разницы между рассчитанными и измеренными температурами в определенное время и на определенных участках элементов анализируемой системы. Литьё в кокиль под низким давлением. Чтобы реально воспроизвести заводские условия, можно проводить моделирование рабочих циклов формы до состояния, когда температурные условия выйдут в стационарный режим. Рассчитанные температурные поля дают возможность рассчитать заполнение формы и затвердевание отливки. Параметры процесса могут быть отрегулированы так, что будет достигнуто оптимальное качество процесса за наименьшее время. Литьё в кокиль под высоким давлением. ProCAST позволяет решать такие специфичные задачи литья под высоким давлением как жидкая штамповка и литье в полутвердой фазе. Оптимальный профиль скоростей плунжера, конструкция литников и проливаемость могут быть легко определены в процессе моделирования даже у тонкостенных изделий. Термомеханические циклы кокиля могут рассчитываться не только с целью увеличения его жизненного цикла, но и для повышения производительности, снижая, таким образом, риски и затраты. Использование программно-информационного комплекса ПИК-ТА во взаимодействии с пакетом ProCAST рассмотрим на примере расчета задачи по моделированию, связанной с литьем алюминиевого сплава АК9 в металлическую форму. Для реальных сплавов величину скрытой теплоты и зависимость температуры от доли твердой фазы можно считать характеристикой сплава. Т.е. скрытая теплота и характер ее выделения предполагаются постоянными. Это справедливо в случае, когда существует устойчивая однозначная зависимость тепловыделения от количества твердой фазы в широком интервале скоростей охлаждения. В этом случае наиболее важен адекватный учет неравномерности тепловыделения в интервале температур затвердевания. Применение для этого различных функциональных зависимостей, связывающих количество твердой фазы с диаграммами состояния сплавов чаще всего малоэффективно и крайне неадекватно отражает действительный характер тепловыделения для реальных НЕРАВНОВЕСНЫХ условий. В связи с этим, единственным способом учета зависимости процентного количества выделившейся. В связи с этим, единственным способом учета зависимости процентного количества выделившейся твердой фазы (и относительной теплоты) от температуры является применение экспериментально полученных данных с использованием методов термического анализа сплавов. Рис.7 – опытная температурная кривая пробы сплава Al-10%Si Наибольшую достоверность обеспечивает экспериментальный спектр тепловыделения. Методика его определения состоит в пересчете на тепловыделение опытной температурной кривой специальной пробы (рис.7). Можно показать, что даже для простейших бинарных сплавов расчет спектра тепловыделения по диаграмме состояния приводит к дополнительным ошибкам, которые легко избежать, используя экспериментальный спектр. На рис.7 показаны «опытный» и «диаграммный» спектры тепловыделения для двойного сплава системы Al-Si при 5% Si. Расчет «диаграммного» спектра велся на основе равновесной диаграммы состояния Al-Si (рис.8) по «правилу рычага». На рис.7 видно, что спектр определенный по диаграмме не только не учитывает тепловыделение на ликвидусе, но и дает отклонение по количеству выделяющегося тепла на солидусе при затвердевании эвтектики. Рис.8 - Спектр тепловыделения для сплава Al-Si. Рис.9 - Диаграмма состояния системы Al-Si. Отклонения в задаваемом спектре соответственно дает отклонения при численном решении тепловой задачи. На рис.9 приведена расчетная кривая зависимости выделения твердой фазы в интервале затвердевания в отливке «Насос ММЗ» из сплава АК9, заливаемого в кокиль. Рис.10 - Зависимость выделения твердой фазы от температуры (стандартный расчет в ProCAST) Ликвидация усадочных дефектов в отливках является довольно сложным процессом при моделировании тепловых задач. Решение тепловой задачи, связанной с анализом усадочных дефектов, выполняли с использованием реальной отливки Минского моторного завода «Насос», которая имеет значительное количество термических узлов. Задача состояла в разработке технологического процесса изготовления отливки, предупреждающего образование усадочных раковин (рис.11). Технология – литье в кокиль. Марка сплава АК9. Реальный химический состав (Si – 10; Mn – 0.4; Mg – 0.3; Fe – 0.8; Cu – 0.5; Zn – 0.2). Расчетная температура ликвидус – 606 °С, солидус – 510 °С. Результаты компьютерного моделирования процесса затвердевания показали, что образование усадочных дефектов можно ожидать в верхней части отливки (рис.12), что не полностью соответствовало реальному расположению усадочных дефектов в отливках, полученных после заливки в кокиль в заводских условиях. Рис. 11 - Динамика времени затвердевания отливки Для определения температур фазовых превращений реальных сплавов наиболее эффективным является использование метода термического анализа (ТА) по кривой охлаждения пробы расплава, что с успехом достигается при использовании комплекса ПИК-ТА. В результате проведенного термического анализа было установлено, что реальная температура ликвидус – 592 °С, солидус – 525 °С. Результаты повторного компьютерного моделирования с учетом экспериментально полученных данных о фазовых переходах показали, что характер затвердевания изменяется (рис.13) Рис. 12 – Вероятность формирования усадочных дефектов (пористости) в отливке с использованием данных ProCAST Рис.13 – Вероятность формирования усадочных дефектов (пористости) в отливке с использованием данных ПИК-ТА Как видно из полученных данных (рис.12-13), результаты моделирования процесса затвердевания и распределение усадочных дефектов существенно различаются. Такие различия при моделировании реальных отливок свидетельствуют о том, что определяющим фактором при моделировании литейных процессов является соответствие исходных расчетных данных – прежде всего, температур фазовых превращений и теплофизических характеристик сплава – их реальным значениям для данного сплава. Таким образом, комплекс ПИК-ТА позволяет производить, в автоматическом режиме, построение адекватных моделей затвердевания на основе корректных данных: -функции выделения твердой фракции в интервале кристаллизации; -реальных значений температур фазовых превращений.
