Моделирование литейных процессов на основе средств обеспечения вычислительных экспериментов

• Автор: Щетинин, Алексей Викторович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 140 с. : ил.

• ВВЕДЕНИЕ
V 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМАТИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ
ЛИТЕЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ
1.1 Обзор автоматизированных процессов литейной технологии
1.2 Физические процессы затвердевания отливки
1.3 Математические модели процесса затвердевания отливки
1.4 Программные системы инженерного анализа
1.4.1 Системы моделирования литейной технологии
# 1.5 Структура системы моделирования литейных процессов
«Полигон»
1.5.1 Модуль реализации модели тепловых процессов
1.5.2 Модуль реализации модели усадочных процессов
1.6 Общая постановка задачи
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ УСАДОЧНЫХ ДЕФЕКТОВ И ВРЕМЕНИ ОХЛАЖДЕНИЯ ОТЛИВКИ
2.1 Математическая модель формирования усадочных дефектов 48 ^ 2.2 Метод конечных элементов в реализации моделей
ф процессов литейной технологии
2.2.1 Влияние размера конечного элемента на точность
расчета технологических параметров отливки
2.2.2 Исходные данные эксперимента
2.2.3 Результаты вычислительного эксперимента
у 2.3 Алгоритм разбиения признакового пространства
методом ^-средних
2.4 Моделирование технологических параметров
2.4.1 Моделирование пористости в отливке
2.4.2 Модель образования усадочных дефектов
2.4.3 Алгоритм выбора разрешающего управления
2.5 Модель определения времени затвердевания отливки
3. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ НАИЛУЧШИХ ЗНАЧЕНИЙ ПОРИСТОСТИ И ВРЕМЕНИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ
3.1 Модели принятия решения в условиях производства литых деталей
3.2 Формирование алгоритма определения наилучших условий протекания процесса затвердевания отливки
4. СТРУКТУРА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОДЕЛИ АНАЛИЗА УСАДОЧНЫХ ДЕФЕКТОВ И ВРЕМЕНИ ОХЛАЖДЕНИЯ ОТЛИВКИ
4.1 Программная система обеспечения вычислительного эксперимента
4.2 Практическая реализация модели принятия решения
4.3 Реализация модели обеспечения вычислительного эксперимента 119 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ
Актуальность темы. Получение качественных литых заготовок -актуальная проблема литейного производства. Сложность, многофакторность и стохастичность процесса получения отливок требуют поиска новых решений данной задачи.
В последние годы с развитием вычислительной техники на производстве стали внедряться программные системы моделирования литейных процессов, которые отличаются высокой результативностью и в настоящее время эксплуатируются на ряде крупных предприятий. На российском рынке в настоящее время появилось множество таких систем, одной из которых является система «Полигон».
Применение методов машинного эксперимента, наряду с натурным, все более активно применяется на производстве. При этом для организации вычислительного эксперимента необходимо решать задачи построения геометрической модели и дискретизации области отливки и формы. Непосредственно сам вычислительный процесс может занимать от нескольких минут до десятков часов, в зависимости от размеров модели и размеров элементарных областей. Даже при минимальном размере конечного элемента или расстояний между узлами сетки вычислительный эксперимент требует лишних материальных затрат по сравнению с натурным.
Вместе с тем программные системы моделирования не являются универсальным средством решения производственных проблем, поскольку используют в качестве исходных данных значения, основанные на практическом опыте инженера-технолога. Кроме того, по полученным результатам моделирования система не может формировать рекомендации для корректировки входных параметров, поэтому необходима априорная оценка влияния физических факторов с целью сокращения времени отработки технологического процесса. Все это требует создания дополнительных средств обеспечения вычислительного эксперимента для наиболее полной реализации ее возможностей.

-К,

= Чо (т) или Т, (1, г) = Т0 (г);
дИо; ».*
дХ дХ
(2.4)
где Кл. - множитель подобного преобразования теплопроводности, Вт/(м К);
qQ - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м2.
Поскольку в форме, для обеспечения направленного затвердевания установлено дополнительное технологическое средство в виде металлической пластины, то описание границы расплав-холодильник, с целью компенсации скорости затвердевания массивной и тонкой части отливки будет иметь следующий вид:
= Ррь(у>-';3), Т>0

сзРУф ~ = ^о(у,-у3)-аРфу}, т>0
у,(0)=£.уМ=уф
(2.5)
где с/ и с3 - удельная теплоемкость расплава и отливки, Дж/(кгК); р: и р3 -плотность расплава и отливки, кг/м3; У0 и Уф- объем отливки и формы, м3; У; - избыточная температура перегретого расплава, К; у3 - избыточная температура формы, К; р~ коэффициент тепловой проводимости разделяющей облицовки холодильника; Р0 - площадь поверхности отливки, м2; а - коэффициент полной теплоотдачи, Вт/(м2К); Рф - площадь поверхности формы, м2.
Продолжительность затвердевания сопряженных элементов отливки определяется как:
,фГ2 0 ^ ¥{?,)

2г.У

(2.6)
где Ьэф - эффективная удельная теплота кристаллизации сплавов, Дж/кг; р2 -плотность двухфазной зоны затвердевающей отливки, кг/м3; оЕ - кинематическая вязкость жидкости, м2/с; Ьф - коэффициент тепловой аккумуляции те-