Приведены сведения о возможностях средств компьютерного моделирования литейных процессов. Рассмотрены во-просы применения компьютерного моделирования для прогнозирования усадочных дефектов в отливках из чугуна.
Было исследовано влияние химического состава чугуна на его жидкотекучесть и усадку – концентрированную (WК, %) и рассосредоточенную (WП, %), - усадочные дефекты с помо-щью компьютерного моделирования процессов затвердевания и охлаждения массивных от-ливок из чугуна в форме.
В настоящее время САПР литейных процессов является альтернативой эксперимен-тальным испытаниям. Компьютерное моделирование литейных технологий за последние го-ды получило настолько мощное развитие, что сегодня уже можно говорить о реальной эко-номии 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, способ-ны адекватно имитировать многие процессы, происходящие при заполнении расплавом фор-мы, кристаллизации многокомпонентного сплава и дальнейшем охлаждении отливки. Они различаются функциональными возможностями и типом генерируемой сетки (способом раз-биения геометрической модели на элементарные объемы для дискретного решения диффе-ренциальных уравнений теплопроводности и иных задач), вследствие чего имеют различную стоимость.
К возможностям программ относятся гидродинамический расчет заполнения расплавом фор-мы, 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 препроцессо-ра для подготовки геометрической модели, процессора для расчетов и постпроцессора для анализа и обработки результатов. Для литейной САМ следует также выделить блок инфор-мационного обеспечения моделирования, состоящий из базы данных (БД) свойств сплавов (материалов) и средств для работы с БД.
Первым этапом анализа литейных процессов является построение геометрической мо-дели отливки и формы. Большинство систем моделирования литейных процессов не имеют собственных средств построения геометрических 3D-моделей, поэтому необходимо исполь-зовать специализированные CAD-системы. Из недорогих систем среднего уровня стоит осо-бенно отметить SolidWorks, которая проста в освоении, предоставляет мощные средства ЗD-моделирования и имеет множество приложений. Сегодня в рамках этой программы разрабо-тано свыше 250 приложений, обеспечи¬вающих сквозную автоматизацию всего цикла конст-рукторско-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 раз-личными компаниями – лидерами в своих отраслях.
Описание геометрии в доступной форме до дискретизации является исходной геомет-рической моделью (ИГМ). Расчетной геометрической моделью (РГМ) является описание дискретных элементов и связей между ними.
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 литей-ной формы. Цветная анимация позволяет визуально контролировать изменение температур-ных 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 ох-лаждении и кристаллизации. Хороший прогноз удается получить при анализе тепловых уз-лов, 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 расчет-ный 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 конту-ров вытягиванием или вращением возможно средствами SolidCast.
Конечноразностная сетка генерируется программой автоматически в течение несколь-ких 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 форма-те 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 SolidWorks. На рис.2 представлены разрезы шаров с фактическими и смоделированными усадочными раковинами.
|
Рис. 1. Геометрическая модель отливки
Рис. 2. Разрезы шаров с усадочными раковинами: