Компьютерное моделирование процессов затвердевания и охлаждения массивных отливок из чугуна в литейной форме

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Компьютерное моделирование процессов затвердевания и охлаждения массивных отливок из чугуна в литейной форме

И.К. Кульбовский, С.В. Карелин,

Е.В. Попов, Д.А. Туркин

Аннотация

Приведены сведения о возможностях средств компьютерного моделирования литейных процессов. Рассмотрены вопросы применения компьютерного моделирования для прогнозирования усадочных дефектов в отливках из чугуна.

Ключевые слова: затвердевание: охлаждение; массивная отливка; чугун; литейная форма; компьютерное моделирование.

Было исследовано влияние химического состава чугуна на его жидкотекучесть и усадку - концентрированную (W_К,%) и рассосредоточенную (W_П,%), - усадочные дефекты с помощью компьютерного моделирования процессов затвердевания и охлаждения массивных отливок из чугуна в форме.

В настоящее время САПР литейных процессов является альтернативой экспериментальным испытаниям. Компьютерное моделирование литейных технологий за последние годы получило настолько мощное развитие, что сегодня уже можно говорить о реальной экономии времени и материальных ресурсов при проектировании оснастки и геометрии отливки с использованием виртуальных литейных имитаторов при компьютерном их моделировании.

Современные программы компьютерного моделирования, основанные на физических теориях тепловых, диффузионных, гидродинамических и деформационных явлений, способны адекватно имитировать многие процессы, происходящие при заполнении расплавом формы, кристаллизации многокомпонентного сплава и дальнейшем охлаждении отливки. Они различаются функциональными возможностями и типом генерируемой сетки (способом разбиения геометрической модели на элементарные объемы для дискретного решения дифференциальных уравнений теплопроводности и иных задач), вследствие чего имеют различную стоимость.

К возможностям программ относятся гидродинамический расчет заполнения расплавом формы, анализ температурных полей при кристаллизации и образовании усадочных дефектов, расчет напряжений и остаточной деформации в отливке, моделирование структуры (размер зерен, распределение феррита и перлита, размер графитных включений и т.п.), оптимизация литниковой системы исходя из геометрии отливки

Системы автоматизированного моделирования (САМ) обычно состоят из препроцессора для подготовки геометрической модели, процессора для расчетов и постпроцессора для анализа и обработки результатов. Для литейной САМ следует также выделить блок информационного обеспечения моделирования, состоящий из базы данных (БД) свойств сплавов (материалов) и средств для работы с БД.

Первым этапом анализа литейных процессов является построение геометрической модели отливки и формы. Большинство систем моделирования литейных процессов не имеют собственных средств построения геометрических 3D-моделей, поэтому необходимо использовать специализированные CAD-системы. Из недорогих систем среднего уровня стоит особенно отметить SolidWorks, которая проста в освоении, предоставляет мощные средства ЗD-моделирования и имеет множество приложений. Сегодня в рамках этой программы разработано свыше 250 приложений, обеспечивающих сквозную автоматизацию всего цикла конструкторско-технологической подготовки производства. Также следует отметить ряд программ из того же класса: Компас, Solid Hdge, IronCAD, Cad-Key, Mechanical Desktop, Vellum Solids, PowerShape, Bravo. Цель данных программ - обеспечить пользователям решение комплекса задач, связанных с проектированием, изготовлением и инженерным анализом изделий по принципу «лучший в классе» путем интеграции программных продуктов, разработанных различными компаниями - лидерами в своих отраслях.

Описание геометрии в доступной форме до дискретизации является исходной геометрической моделью (ИГМ). Расчетной геометрической моделью (РГМ) является описание дискретных элементов и связей между ними. компьютерный модель усадка литейный чугун

Следующим этапом является импорт созданной модели в САЕ-систему и представление в виде, необходимом для расчетов. При моделировании литейных процессов наибольшее распространение получили метод конечных разностей (МКР) и метод конечных элементов (МКЭ).

Для моделирования объемной усадки массивных отливок шаров из чугуна диаметром 100 мм была выбрана программа SolidCast (предыдущая версия программы носила название AFSolid). Программа является мировым лидером по количеству инсталляций - более 400.

Программа уверенно моделирует заполнение расплавленным металлом полости литейной формы. Цветная анимация позволяет визуально контролировать изменение температурных полей в текущем расплаве, выявлять образование холодных зон, расположение горячих зон и усадочных дефектов. Программа позволяет контролировать изменение температуры, плотности и ряда других расчетных параметров в любом сечении отливки и формы при охлаждении и кристаллизации. Хороший прогноз удается получить при анализе тепловых узлов, усадочных раковин и пор в отливках.

Помимо базового модуля разработчики предлагают еще 2 дополнительные программы: OptiCast - модуль оптимизации литниково-питающей системы, заданной в параметрическом виде (критерием оптимизации может служить плотность металла или любой другой расчетный параметр, отражающий качество отливки), и Fluid - модуль точного гидродинамического анализа. Нами принята данная модель.

В геометрические модели импортируются файлы из любой внешней CAD-системы в формате STL; построение примитивов, контуров и образование объемных объектов из контуров вытягиванием или вращением возможно средствами SolidCast.

Конечноразностная сетка генерируется программой автоматически в течение нескольких секунд или минут, в зависимости от мощности компьютера. Количество расчетных узлов лимитируется объемом оперативной памяти.

Данная программа была выбрана, так как она имеет простой в понимании интерфейс, позволяет свободно импортировать геометрические модели из любой CAD-системы в формате STL, обеспечивает простую генерацию сетки, выявление дефектов отливки и оптимизацию литниково-питающей системы.

Для построения геометрической модели отливки шара (рис. 1) и формы для неё была применена программа Solid Works. На рис. 2 представлены разрезы шаров с фактическими и смоделированными усадочными раковинами.

Рис. 1. Геометрическая модель отливки

Были отлиты шары Ш100 мм из чугуна разного химического состава и разрезаны пополам. Их половинки были отшлифованы и протравлены 4%-м раствором HNO₃, что позволило выявить в них усадочные дефекты (рис. 2). По описанной методике выполнено компьютерное моделирование образования концентрированной усадочной раковины в шарах.

Результаты вычислений приведены в таблице.

Рис. 2. Разрезы шаров с усадочными раковинами:

Размещено на http://www.Allbest.ru/

- фактическими; Размещено на http://www.Allbest.ru/

- смоделированными

Таблица

Объем концентрированных усадочных раковин по данным эксперимента и моделирования

Был рассчитан коэффициент корреляции между экспериментальными данными и данными моделирования, который оказался равным 0,94.

Данные, необходимые для моделирования, взяты из справочной литературы.

Свойства сплава и технологические параметры формы:

На основании данных корреляции можно сделать вывод о том, что при моделировании изменяемые входные параметры дают одинаковое изменение размеров усадочных раковин. В связи с этим для прогнозирования образования возможных усадочных дефектов в тепловых узлах отливок можно использовать предложенную нами методику компьютерного моделирования с помощью программы SolidWorks при разработке техпроцессов отливок.

Размещено на Allbest.ru