Компьютерный анализ литейной технологии: блистательные перспективы или неразрешимые проблемы?

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Компьютерный анализ литейной технологии: блистательные перспективы или неразрешимые проблемы?

В последние годы технологи - литейщики получили в свои руки новый и вместе с тем важнейший инструмент - компьютерные средства для анализа литейной технологии на основе моделирования литейных процессов и прогнозирования качества отливки. Повсеместно в литейных технологических бюро появляются современные компьютеры, используемые не только как электронные пишущие машинки или как «умные» калькуляторы, но и для выполнения технологических расчетов и моделирования заливки формы, затвердевания или образования усадочных пустот. На рынке компьютерных программ появились многочисленные пакеты, предлагающие услуги по расчету тепловых или усадочных процессов за самую различную цену - от 30 до 120 тысяч долларов. Можно ли на этом основании заключить, что закончилась - ко всеобщей радости - эпоха, когда литейщики справедливо сетовали: “Наше дело закрытое, капризное и отчасти гадательное…” ? Приведенные на рис. 1 кривые показывают, что, начиная с 1990 г., картина выглядит не столь радужной и указывает на существование ряда причин, вызывающих почти кризисное состояние инженерных наук, в том числе - в сфере литейного производства [1-2]. В чем дело ?

Рис. 1 Динамика публикаций в мире по литью, сварке и термической обработке (по данным «Metals Abstracts»)

Технология изготовления отливки включает ряд этапов, каждый из которых в силу особенностей технологических и/или режимных параметров (размеры прибылей, температура заливки, скорость опорожнения ковша и т.д.) может создать предпосылки для возникновения одного или сразу нескольких из многочисленных видов брака. Условия формирования отливки насчитывают большое число (иногда утверждают - до 2000 !) факторов, конкретное сочетание которых определяет характер сопряженных процессов теплообмена, гидродинамики, кристаллизации, усадки, ликвации и т.д. Их неблагоприятное протекание вызывает возникновение литейных дефектов. Кроме того, неизбежные колебания условий при производстве отливок создают стохастический фон внешних воздействий, приводящих к осцилляции начальных и граничных условий, при которых формируется отливка, порождая ситуацию, когда внезапно и непредсказуемо (но ведь не беспричинно же ?!) “выскакивает” или “пропадает” брак.

Численное моделирование литейной технологии, выполняемое на стадии проектирования или при возникновении брака, имеет целью диагностику условий формирования отливки с определением вероятности или величины, размеров и расположения образующихся дефектов и оценку стабильности поддержания необходимого качества отливки, т.е. устойчивости заданного технологического процесса в производственных условиях [3].

Основные проблемы, решаемые при моделировании литейной технологии, включают следующие основные этапы:

разработка или выбор физико-химических моделей для представления сложного комплекса многоуровневых процессов формирования отливки (на макро-, мезо- и микроуровне) на основе их системного анализа с неизбежным упрощением полной системы рассматриваемых процессов в силу ограниченности доступных ресурсов (интеллектуальных, математических, вычислительных, временных, экономических и т.д.);

разработка или выбор математического аппарата для описания принятого набора моделей и формирование математической модели технологии;

программная реализация математической модели и разработка необходимых средств входного и выходного интерфейса для визуализации и регистрации результатов моделирования, определяющего характер взаимодействия технолога с моделирующей программой;

информационное обеспечение модели путем подготовки набора исходных данных, качество которых предопределяет качество получаемого решения;

разработка средств диагностики качества отливки на основе количественной оценки параметров литейной технологии, определяемых по результатам моделирования, в сопоставлении с критическими значениями диагностических параметров, которые выработаны практикой или подсказаны теорией.

Совокупность перечисленных задач требует от разработчиков глубокого понимания специфики литейных процессов и существа проблем, решаемых технологом-литейщиком, обширной математической эрудиции и высокой культуры использования компьютерных технологий. Только при этих условиях можно успешно решать задачу создания интегрированной САПР, сочетающей синтез литейной технологии на основе индивидуального и/или типового проектирования, проведения комплекса технологических расчетов, компьютерного моделирования и анализа технологии с диагностикой качества отливок, а также формирования технологической документации. Вместо интегрированных САПР рынок предлагает пакеты совсем другого класса - системы автоматизированного моделирования, в которых решение задачи автоматизированного синтеза литейной технологии подменено решением значительно более простой задачи анализа предложенной технологии.

Отмечая впечатляющие успехи, достигнутые материаловедением и теорией формирования отливки в последние десятилетия, в том числе - благодаря интенсивному использованию компьютерных моделей [4-7], нельзя умолчать о тех проблемах, которые выявились за последние годы и продолжают углубляться, нанося серьезный ущерб развитию теории литейных процессов.

Сосредоточение усилий большого числа наиболее квалифицированных исследователей на формировании сравнительно узкого круга компьютерных моделей (теплообмен, гидродинамика, усадочные пустоты) и их программной реализации привело к тому, что резко сократился фронт работ в других разделах теории литья (моделирование деформационных и диффузионных процессов в отливках, физико-химия литейных процессов и дефектов, литейное материаловедение, формовочные процессы и теория литейной формы и т.д.) и значительно снизился объем работ по экспериментальному изучению литейных процессов. В результате развитие теории литейных процессов происходит в условиях заметного самоторможения, поскольку “...чтобы иметь идеи, надо иметь факты” (Бюффон).

Литейная наука по-прежнему далеко не всегда имеет точный количественный ответ на вопросы, возникающие в связи с появлением новых технологий, сплавов и материалов для изготовления форм, а также ужесточением требований к качеству традиционных литых изделий. Наблюдаемые спады и подъемы (рис.1) останутся закономерными до тех пор, пока не будет в полном объеме реализовано системное моделирование технологии на основе многоуровневых моделей для сопряженных процессов различной природы с использованием статистического моделирования тех параметров, которые не поддаются непосредственному вычислению на основе физико-химических представлений, и использования аппарата оптимизации технологических решений.

Логика развития теории литейных процессов приводит к непреложному выводу о необходимости радикальной переработки аналитического аппарата технологических расчетов на основе рационального сочетания компьютерных технологий и современных физико-химических представлений о механизме процессов формирования отливки, впитывающих в себя достижения материаловедения в области неравновесной дендритной и эвтектической кристаллизации, термодинамики многокомпонентных систем, гидравлики многофазных потоков, реологии неоднородных сред и т.д.

В условиях стремительного обновления вычислительной техники и общесистемных программных средств, значительно опережающего темпы развития литейной теории и реализации ее компьютерных моделей, весьма значительные усилия наиболее квалифицированных разработчиков затрачиваются на модернизацию программного обеспечения в ущерб развитию физико-химического базиса моделей, хотя только прогресс теории литейных процессов может обеспечить необходимое расширение круга решаемых проблем литейной технологии и существенное повышение возможностей компьютерного прогноза качества отливок.

Как следствие свертывания экспериментальных работ отчетливо проявляется острый и постоянно углубляющийся дефицит достоверных сведений о характеристиках литейных материалов, номенклатура которых непрерывно расширяется, в результате чего все более ухудшается надежность и точность результатов моделирования, несмотря на модернизацию компьютерных моделей, использование вычислительной техники более высокого уровня и затрату более значительных вычислительных ресурсов.

Нередко разработчики и поставщики моделирующего пакета снимают с себя труд и ответственность за информационное обеспечение моделей набором исходных данных, адаптированных к условиям конкретного производства, в результате чего пользователь оказывается один на один со сложной проблемой локальной адекватности моделей, не подозревая, какой квалификации и затрат требует ее решение [8].

“Закрытый” характер компьютерных моделей, связанный с коммерческим характером их использования, оставляет множество возможностей для распространения разработок низкого уровня и спекулятивной “модернизации” моделей для обновления рекламируемых разработок. Серьезность отмеченных проблем подчеркивает тот факт, что на последних международных конференциях по моделированию литейных процессов [7] значительная часть докладов посвящена проблеме тестирования компьютерных моделирующих программ в связи с выявившимся существенным разбросом получаемых по ним результатов, причина которого кроется в углубляющемся отрыве разработчиков коммерческих компьютерных пакетов от экспериментальной базы и технологической практики.

Для преодоления этих трудностей необходимо осознание всем научным сообществом того, что все компоненты цикла “эксперимент - модель - алгоритм - программа - эксперимент” заслуживают самого пристального внимания, вложения ресурсов и всесторонней оценки, в том числе и коммерческой, чтобы наряду с программными продуктами получила необходимое признание и развитие разработка компьютерных средств проведения и обработки экспериментов. Самым обстоятельным и неотложным образом требуется обсудить деликатные проблемы оценки и тестирования качества всех аспектов компьютерных моделей, чтобы любой разработчик мог объективно, добровольно и самостоятельно оценить уровень достигнутых успехов на всех стадиях пути модели от замысла до рынка.

Кадровое обеспечение компьютерного анализа литейной технологии является ахиллесовой пятой пользователей, поскольку для грамотного анализа необходимо сочетание технологического опыта, свободного владения компьютерными средствами и достаточной эрудиции не только в литейной теории, но и в применяемых моделях и алгоритмах, чтобы успешно реализовать возможность повысить интеллектуальный уровень технологических разработок. Решение этой проблемы лежит в сфере умелого подбора и закрепления кадров, получивших необходимую квалификацию в области теории и моделирования литейных процессов и способных к непрерывному обучению и коллективной творческой работе в технологическом подразделении.

Информационное обеспечение компьютерного анализа литейной технологии [8] является тем необходимым условием, которое наряду с адекватностью моделей гарантирует необходимую достоверность получаемых результатов. Если проблема определения характеристик литейных сплавов может успешно решаться на основе термодинамического моделирования литейных сплавов [7, 9], то свойства формовочных материалов и характеристика условий на границе металл-форма являются сугубо локальными и должны учитывать некоторые «интимные» особенности применяемых математических моделей, в связи с чем они требуют определения в цеховых условиях [7].

Адаптация применяемых моделей [10] к условиям производства необходима по той причине, что литейные пакеты имеют существенно разную «разрешающую способность», а их универсальность является кажущейся, что предполагает прямую оценку адекватности моделей путем сопоставления результатов моделирования с производственными данными (хронометраж заливки форм, термический анализ затвердевания отливки и прогрева формы, регистрация размера и расположения усадочных пустот на темплетах и т.д.) и регулярное проведение экспериментальных работ для контроля стабильности условий производства и определения необходимых для моделирования параметров технологического характера. Регистрация этих характеристик и их обобщение в силу присущей им производственной изменчивости представляет самостоятельную задачу, без решения которой нельзя получить достоверного набора исходных данных для моделирования и надежного количественного прогноза такого хода литейных процессов, который отвечает техническим условиям и позволяет реально предсказать качество отливки.

Литература

литейный отливка компьютерный моделирование

Голод В.М. Теория формирования отливки: очевидные достижения и неочевидные проблемы // Литейное производство, 2001, № 6.

Голод В.М. и др. Металлургические технологии в машиностроении: динамика последних десятилетий и резервы роста // Металлургия машиностроения, 2001, № 1.

3. Голод В.М., Савельев К.Д. Компьютерный анализ и диагностика литейной технологии: опыт применения, проблемы и перспективы. // Труды восьмого съезда литейщиков России, том II. - Ростов-наДону, 2007.

4. Stefanescu D.M. Metodologies for modeling of solidification microstructure and their capabilities // ISIJ Internat., 1995, v. 35, № 6.

5. Sahm P.R., Hansen P.N. Towards integrated modeling for intelligent castings // Modeling of casting, welding and advanced solidification processes (IX). - Aachen, Shaker Verlag, 2000.

6. Boettinger et al. Solidification microstructures : recent development, future directions // Acta Materialia, 2000, v. 48, № 1.

7. Голод В.М., Денисов В.А. Теория, компьютерный анализ и технология стального литья // СПб., ИПЦ СПГУТД, 2007.

8. Голод В.М., Пулит В.В. и др. Системы автоматизированного моделирования: информационное обеспечение и адаптация математических моделей. // Литейное производство, 1992, № 6.

9. Савельев К.Д., Голод В.М. и др. Применение термодинамического моделирования литейных сплавов // Литейное производство, 2001, № 6.

10. Голод В.М. и др. САПР литейной технологии. Профильная ориентация и новые возможности // Литейное производство, 2000, № 7.

Размещено на Allbest.ru