Анализ системы компьютерного моделирования литейных систем
На сегодняшний день в сфере производства авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) проводится глубокая модернизация с целью привлечения инновационных наукоемких технологий, что, в свою очередь, стимулирует развитие других отраслей машиностроения. В настоящее время авиадвигатели должны выпускаться малыми сериями при широкой номенклатуре, что свидетельствует о высокой эффективности заготовительного производства. На сегодняшний день, решение поставленной задачи невозможно представить без внедрения современных систем компьютерного моделирования, позволяющих снижать расходы, уменьшать трудоемкость проектирования и освоения производства новых сложных изделий. На 30…40 % уменьшаются расходы на подготовку технологической документации. Более чем на 35 % сокращаются сроки выпуска новых сложных изделий.
Компьютерный анализ литейных процессов на этапе виртуального проектирования технологии литья (до изготовления отливок) позволяет минимизировать возможные просчеты и ошибки, неизбежно возникающие в процессе разработки, снизить финансовые и временные затраты, повысить эффективность, конкурентоспособность, качество и надежность разрабатываемой продукции. Происходит экономия материалов, энергоносителей, рабочего времени, бережется оборудование, а взамен получается масса уникальной информации о технологическом процессе. Только компьютерное моделирование технологии позволяет «заглянуть» внутрь изделия, увидеть характер протекающих в нем процессов, понять причины возникновения дефектов.
Внедрение компьютерных технологий позволяет повысить эффективность операций создания и обработки информации, происходит реальный переход от бумажного документооборота к электронному
При внедрении компьютерных технологий снижаются расходы, уменьшается трудоемкость проектирования и освоения производства новых сложных изделий. На 30…40 % уменьшаются расходы на подготовку технологической документации. Более чем на 35 % сокращаются сроки выпуска новых сложных изделий.
Применение компьютерных технологий в литейном производстве в значительной степени связано с обработкой, поступающей от CAD-систем конструкторских подразделений информации о создаваемом изделии в виде
электронных моделей деталей. Информация о технологических процессах, применяемых в литейном производстве, поступает в виде математических моделей, создаваемых в результате деятельности САЕ-систем. Виртуальное литейное производство созданное на базе современной САЕ-системы ProCast не только моделирует затвердевание отливки (тепловая задача), но и позволяет прогнозировать макро и микроструктуру отливки, а также создает информационную картину электронной модели отливки. По созданной электронной модели отливки, с использованием технологии быстрого прототипирования (аддитивных технологий), может быть быстро получена достаточно точная материальная модель, необходимая для изготовления отливки в литейном производстве. Ключевым звеном виртуального производства литых заготовок служит программное обеспечение моделирования процесса затвердевания отливки и формирования макро и микроструктуры. Выбор программного обеспечения зависит от применяемых процессов литья и номенклатуры выпускаемой продукции.
Для литья деталей аэрокосмического назначения, деталей с тонкими стенками, тонкими ребрами, щелевыми каналами сложной формы, например, лопаток газотурбинного двигателя (ГТД), преимуществом обладает метод конечных элементов (FEM), позволяющий более точно передать геометрию отливки, который используется в программном продукте ProCAST.
Этапы моделирования включают в себя подготовку геометрии (3Dмодель литейного блока и 3D-сетку), определение теплофизических свойств материалов, задание граничных условий (воспроизведение реального технологического процесса).
Для проведения численных расчетов необходимо задать физические и усадочные (теплофизические) свойства материала отливки.
Для моделирования литейных процессов нужны свойства сплава при температурах вблизи температуры точки солидус и выше.
Скорость охлаждения расплава, геометрия отливки существенно влияют на тепло и массообмен, полноту протекания диффузионных процессов на фронте кристаллизации. Это определяет фазовый состав сплава, распределение твердой фазы в интервале кристаллизации и температуру точки солидус. Температура плавления (температура ликвидус) - это температура, при которой вещество переходит в полностью жидкое состояние. Температура затвердевания (температуру солидус) - это такая температура, при которой вещество переходит полностью в твердое состояние.
В точной математической постановке система уравнений, описывающая процесс затвердевания отливки, должна включать уравнение диффузии в расплаве и твердой фазе.
Программный комплекс ProCAST позволяет решать практически любые технологические задачи, связанные с литьем металлов. ProCAST позволяет моделировать любую литейную технологию:
- любая гравитационная заливка (литье в кокиль, в ПГС и ХТС, по выплавляемым моделям и т.д.);
- литье под регулируемым давлением (литье под высоким давлением, литье под низким давлением, литье с противодавлением, литье вакуумным всасыванием и т.д.);
- центробежное литье;
- непрерывное литье;
- литье по газифицируемой модели.
Программа ProCAST имеет отличный встроенный генератор 2D и 3D сеток, позволяющий получить максимально корректную расчетную сетку за минимальное время.
Имеется встроенный химический калькулятор, благодаря которому можно получить все необходимые тепло-физические свойства любого сплава прямо в программе.
Программа ProCAST позволяет определить:
- распределение тепловых полей в отливке и форме;
- оценить уровень возникающих напряжений в отливке и металлической оснастке
- позволяет рассчитывать цикличные нагрузки (например, при литье под давлением).
ProCAST отвечает задачам производства. Основанный на проверенной технологии конечных элементов, ProCAST представляет законченное решение, охватывающее широкий спектр процессов литья металлов и сплавов.
Покрытие всех производственных задач для широкого спектра процессов литья. Лить в землю, гравитационное, наклонное лить. Ключевые факторы успеха в гравитационном литье связаны с оптимизацией системы литников и исключением областей возможной усадки.
Лить по выплавляемым моделям, лить в оболочковые формы ProCAST хорошо приспособлен для решения задачи литья по выплавляемым моделям. Например, ProCAST может автоматически генерировать сетку, отражающую оболочковую форму, допускает неодинаковую толщину и многослойность. При этом учитывается теплоизлучение с эффектами затенения, которые важны для высокотемпературных сплавов.
ProCAST предоставляет возможность моделирования заполнения формы, затвердевания и формирования микроструктуры и полей остаточного напряжения. Расположение стояков и применение изолирующих или экзотермических подводов, их влияние на усадку может быть изучено на компьютере и визуализировано на экране для достижения оптимального качества отливки.
Программный комплекс ProCAST отвечает рассмотренным выше требованиям и позволяет формировать расчетную модель на основе соответствующих физических процессов в литейной технологии, а необходимые решатели подключаются в процессе решения.
Успех моделирования заполнения формы, затвердевания и формирования микроструктуры связаны с оптимизацией системы литников и исключением областей возможной усадки. Размеры элементов литниковой системы, их влияние на усадку может быть изучено на компьютере и визуализировано на экране для достижения оптимального качества отливки.
Программный комплекс PrоCAST содержит следующие модули:
Visual-Mesh – модуль подготовки расчетной сетки. В Visual-Mesh создается как двухмерная, так и объемная (тетраэдральная) конечноэлементная расчетная сетка. Она позволяет осуществлять экспорт геометрии практически из любой CAD-системы в следующих форматах: IGES, STEP, Parasolid (x_t), STL и проверку импортированной геометрии, при необходимости, ее восстановление. В Visual-Mesh также включен генератор оболочек, предназначенный для моделирования литья по выплавляемым моделям.
· Visual-Cast – модуль подготовки исходных данных для решения задачи (препроцессор). Этот модуль позволяет пользователю считывать конечноэлементную модель, назначать свойства материалов для различных компонентов модели, задавать контактные, граничные и начальные условия. Главной особенностью модуля Visual-Cast является наличие встроенного химического калькулятора, благодаря которому отпадает необходимость в поиске данных о сплавах на стороне. Можно просто занести химический состав сплава и получить все необходимые для расчета тепло-физические свойства материала.
· Solver – модуль решателей. В СКМ ЛП ProCAST имеется несколько различных решателей. В зависимости от той задачи, которую необходимо решить, система выбирает и задействует необходимые решатели (например: гидродинамика для заполнения формы или решатель напряжений для определения напряжений и трещин в отливке).
· Visual-Viewer – модуль для просмотра результатов моделирования (постпроцессор). Этот модуль позволяет визуализировать все рассчитанные параметры: распределение температур, напряжений, скоростей и т.д. Так же существует возможность создания графиков изменения той или иной характеристики, сохранения данных в виде графика и анимации и многое другое.
Все эти модули объединены в общем интерфейсе и запускаются из общего ProCAST Manager.
Так же из ProCAST Manager можно контролировать процесс расчета. При этом отображаются следующие параметры: степень заполнения и кристаллизации отливки, общий ход выполнения задачи, а так же затраты машинного времени на вычисления. Использование этой функции позволяет экономить ресурсы компьютера, т.к. отпадает необходимость запускать Visual-CAST на этапе решения задачи.