Моделирование литья металлов
Моделирование процесса литья — это вычислительный метод, используемый в промышленности и металлургии для моделирования и анализа процесса литья металлов . Эта технология позволяет инженерам прогнозировать и визуализировать течение расплавленного металла, закономерности кристаллизации и потенциальные дефекты в отливке до начала фактического производственного процесса . Моделируя процесс литья, производители могут оптимизировать конструкцию пресс-формы , снизить расход материала и улучшить качество конечного продукта.
История
[ редактировать ]
Теоретические основы теплопроводности , критически важные для моделирования литья, были заложены Жаном -Батистом Жозефом Фурье в Политехнической школе в Париже. Его диссертация «Аналитическая теория теплоты». [ 1 ] награжденная в 1822 году, заложила основу для всех последующих расчетов теплопроводности и теплоотдачи в твердых материалах. Кроме того, французский физик и инженер Клод-Луи Навье и ирландский математик и физик Джордж Габриэль Стоукс заложили основы гидродинамики , что привело к разработке уравнений Навье-Стокса . [ 2 ] [ 3 ] Адольф Фик , работавший в 19 веке в Цюрихском университете , разработал фундаментальные уравнения, описывающие диффузию , опубликованные в 1855 году. [ 4 ]
Начало моделирования в литье началось в 1950-х годах, когда В. Пашкис использовал аналоговые компьютеры для прогнозирования движения фронта кристаллизации. [ 5 ] Первое использование цифровых компьютеров для решения задач, связанных с литьем, было осуществлено доктором К. Фурсундом в 1962 году, который рассматривал проникновение стали в песчаную форму. [ 6 ] Новаторской работой Дж. Хентцеля и Дж. Кевериана в 1965 году было двумерное моделирование кристаллизации стальных отливок с использованием программы, разработанной General Electric для моделирования теплопередачи. [ 7 ] В 1968 году Оле Вестби первым применил метод конечных разностей для программирования 2D-модели , оценивающей распределение температуры во время сварки . [ 8 ]
1980-е годы ознаменовались значительным ростом исследовательской и опытно-конструкторской деятельности по теме моделирования процесса литья с участием различных международных групп, в том числе Дж. Т. Берри и Р. Д. Пилке в США, Э. Ниямы в Японии, В. Курца в Лозанне и Ф. Дюран в Гренобле . Особенно важную роль в развитии этой области сыграл профессор Аахенского литейного института П.Р. Зам . Ключевыми вехами этого периода стало введение « критериальной функции ». Хансеном и Берри [ 9 ] в 1980 году критериальная функция Ниямы [ 10 ] за представление центральной пористости в 1982 году и предложение целевой функции для обнаружения горячих трещин в стальных отливках Э. Фельнером и П. Н. Хансеном в 1984 году. [ 11 ] В конце 1980-х годов были разработаны первые возможности моделирования заполнения форм.
В 1990-е годы основное внимание уделялось моделированию напряжений и деформаций в отливках, при этом значительный вклад внесли Хаттель и Хансен в 1990 году. В этом десятилетии также были предприняты попытки предсказать микроструктуры и механические свойства благодаря новаторским работам И. Свенссона и М. Вессена в Швеции. [ 12 ] [ 13 ]
Принципы моделирования литья
[ редактировать ]
Производство литья — один из сложнейших и многогранных процессов в металлургии, требующий тщательного контроля и понимания множества физических и химических явлений. Чтобы эффективно управлять этим процессом и обеспечивать высокое качество конечной продукции, необходимо глубоко понимать взаимодействие различных параметров литья. В этом контексте математическое моделирование литья выступает как критически важный научный инструмент, позволяющий провести детальный анализ и оптимизацию процесса литья на основе математических принципов. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]
Математическое моделирование литья — это сложный процесс, включающий формулировку и решение математических уравнений , описывающих физические явления, такие как теплопроводность, гидродинамика, фазовые превращения и другие. Для решения этих уравнений применяются различные методы численного анализа, среди которых метод конечных элементов (МКЭ), [ 17 ] Особое место занимают метод конечных разностей (FDM) и метод конечных объемов (FVM). Каждый из этих методов имеет свои особенности и применяется в зависимости от конкретных задач моделирования и требований к точности и оперативности расчетов.
Метод конечных разностей (FDM). Этот метод основан на дифференциальных уравнениях тепло- и массопереноса, которые аппроксимируются с использованием соотношений конечных разностей. [ 18 ] Преимуществом FDM является его простота и возможность упростить решение многомерных задач. Однако метод имеет ограничения при моделировании границ сложных участков и плохо работает для отливок с тонкими стенками. [ 19 ]
Метод конечных элементов и метод конечных объемов (FVM): [ 20 ] Оба метода основаны на интегральных уравнениях тепломассопереноса. Они обеспечивают хорошее приближение границ и позволяют использовать элементы с различной дискретностью . Основными недостатками являются необходимость использования генератора конечных элементов, сложность уравнений и большие требования к ресурсам памяти и времени.
Модификации FVM. Эти методы пытаются объединить простоту FDM с хорошим приближением границ FEM. У них есть потенциал для улучшения аппроксимации границ между различными материалами и фазами. [ нужна ссылка ] [ 21 ]
Анализ различных методов математического моделирования процессов литья показывает, что метод конечных элементов является одним из наиболее надежных и оптимальных подходов моделирования литья. [ 22 ] Несмотря на более высокие требования к вычислительным ресурсам и сложность реализации по сравнению с методом конечных разностей и методом конечных объемов, МКЭ обеспечивает высокую точность моделирования границ, сложной геометрии и температурных полей, что критически важно для прогнозирования дефектов в отливках и оптимизации процессов литья. [ 23 ] [ 24 ]
Применение в производстве
[ редактировать ]Системы компьютерного проектирования (CAE) процессов литья уже давно используются литейными заводами всего мира в качестве «виртуального литейного цеха », где можно воплотить и проверить любую идею, возникающую в сознании конструкторов и технологов . [ 25 ] Мировой рынок CAE для процессов литья уже можно считать сложившимся. [ 26 ]
В структуре компании для разработки технологии нового литья создан отдел автоматизированного проектирования процессов литья, отвечающий за эксплуатацию систем CAE процессов литья. Расчеты выполняются специалистами отдела согласно своим должностным инструкциям , а взаимодействие с другими подразделениями регламентируется инструкциями по технологическому проектированию. [ 27 ]
Процесс 3D - начинается со сдачи модели и чертежа детали технологам литейного производства, которые согласовывают конфигурацию отливки с механическим цехом и определяют припуски . [ 28 ] Затем технология отрабатывается в отделе САЭ и передается в литейный цех для экспериментальных отливок. Результаты контролируются, а при необходимости отливки исследуются в центральной лаборатории завода . При обнаружении дефектов в отделе САЭ производится корректировка параметров модели и технологического процесса, после чего технология повторно тестируется в цехе. [ нужна ссылка ] [ 29 ]
Этот цикл повторяется до тех пор, пока не будут получены подходящие отливки, после чего технология считается разработанной и внедренной в серийное производство . [ 30 ] [ 31 ]
Программное обеспечение и инструменты
[ редактировать ]
В современном литейном производстве широко используется программное обеспечение для моделирования процессов литья. Среди множества доступных программных решений стоит упомянуть наиболее известные и широко используемые продукты: Procast, MAGMASOFT и PoligonSoft.
ProCAST: система моделирования процесса литья с использованием метода конечных элементов, которая обеспечивает совместное решение задач температуры, гидродинамики и деформации , а также уникальные металлургические возможности для всех процессов литья и литейных сплавов. Помимо основных аспектов производства отливок — заливки, кристаллизации и прогнозирования пористости, ProCAST способен прогнозировать возникновение деформаций и остаточных напряжений в отливке и может использоваться для анализа таких процессов, как изготовление стержней , центробежное литье , выплавляемое восковое литье. литье , непрерывное литье . [ 32 ]
PoligonSoft: система моделирования процесса литья с использованием метода конечных элементов. Применим для моделирования практически любой технологии литья и любого литейного сплава. Долгое время PoligonSoft была единственной в мире системой моделирования процесса литья, включавшей специальную модель расчета микропористости . [ 33 ] [ 34 ] На сегодняшний день эту модель можно считать наиболее стабильной, а полученные с ее помощью результаты способны удовлетворить самых требовательных пользователей. Во многих отношениях PoligonSoft можно считать российским аналогом системы ProCAST. [ 35 ]
MAGMASOFT: система моделирования процесса литья с использованием метода конечных разностей. Он позволяет анализировать термические процессы, заполнение форм, кристаллизацию, прогнозировать дефекты в отливках. [ 36 ] Программа включает модули для различных технологий литья и помогает оптимизировать параметры литья для улучшения качества продукции. MAGMASOFT – эффективный инструмент повышения производительности и качества литейного производства. [ 37 ]
Будущие тенденции
[ редактировать ]Моделирование процесса литья отражает знания пользователя, который решает, привела ли система наполнения к приемлемому результату. Предложения по оптимизации должны исходить от оператора. Основная проблема в том, что все процессы происходят одновременно и взаимосвязаны: изменение одного параметра влияет на многие качественные характеристики отливки. [ 38 ]
Автономная оптимизация, начавшаяся в конце 1980-х годов, использует инструмент моделирования в качестве виртуального испытательного полигона, изменяя условия наполнения и параметры процесса для поиска оптимального решения. [ 39 ] Это позволяет оценить многочисленные параметры процесса и их влияние на стабильность процесса.
Важно помнить, что оптимизировать можно только то, что можно смоделировать. Оптимизация не заменяет знания или опыт процессов. [ 40 ] Пользователь моделирования должен знать цели и критерии качества, необходимые для достижения этих целей, и сформулировать конкретные вопросы для программы для получения количественных решений. [ 41 ]
См. также
[ редактировать ]- Сплав – смесь или металлический твердый раствор, состоящий из двух или более элементов.
- Литье - производственный процесс, при котором жидкость заливают в форму для затвердевания.
- Металл – Тип материала
- Литье металла – заливка жидкого металла в форму.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Фурье, Жан-Батист-Жозеф (1822). «Аналитическая теория теплоты» . Фирмен Дидо Père et Fils (на французском языке). Париж. ОСЛК 2688081 .
- ^ Навье, CL (1827 г.). «Память о законах движения жидкости». Мемуары Академии наук Института Франции . Париж. doi : 10.1017/S1757748900000922 (неактивен 16 мая 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) - ^ Стоукс, Г.Г. (1845). «К теории внутреннего трения движущихся жидкостей». Труды Кембриджского философского общества . 8 : 287–319. doi : 10.1017/CBO9780511702679 (неактивен 19 мая 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) - ^ Фик, А. (1855). «О диффузии жидкости». Философский журнал . 4. 10 (63): 30–39. дои : 10.1080/14786445508641925 .
- ^ Пашкис, В. (1956). «Прогнозирование движения фронта кристаллизации с помощью аналоговых компьютеров». Журнал металлургического машиностроения . 15 : 233–239. doi : 10.1007/BF03465546 (неактивен 16 мая 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) - ^ Фурсунд, К. (1962). «Цифровой компьютерный анализ проникновения стали в песчаные формы». Журнал литейной технологии . 3 : 145–152. doi : 10.1007/BF03469853 (неактивен 16 мая 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) - ^ Хентцель, Дж. Г., и Кевериан, Дж. (1965). «Двумерное моделирование кристаллизации стали». Технический отчет исследовательской лаборатории General Electric . дои : 10.1007/BF03359685 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Вестби, О. (1968). «Метод конечных разностей для двумерного распределения температуры во время сварки». Сварочный журнал . 47 (12): 545–551. doi : 10.1007/BF03476354 (неактивен 16 мая 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) - ^ Берри, Дж.Т., и Пилке, Р.Д. (1980). «Критериальная функция для моделирования процесса литья». Металлургические операции Б . 11 (4): 665–670. дои : 10.1007/BF02670624 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Нияма, Э. (1982). «Критерий Ниямы для представления центральной пористости в отливках». Журнал Японского литейного общества . 54 (8): 450–455. doi : 10.1007/BF03476525 (неактивен 16 мая 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) - ^ Фельнер Э. и Хансен ПН (1984). «Критериальная функция обнаружения горячих трещин в стальных отливках». Металлургические операции Б . 15 (6): 1001–1008. дои : 10.1007/BF03355487 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Н. Хансен, Эрвин Флендер и Йорг К. Штурм. (2010). «Тридцать лет моделирования процесса литья» . Международный журнал металлообработки . 4 (2): 7–23. дои : 10.1007/BF03355463 .
- ^ Свенссон И. и Вессен М. (1995). «Прогнозирование микроструктуры и механических свойств отливок». Международный журнал исследований литых металлов . 8 (3): 135–142. doi : 10.1080/13640461.1995.11819364 (неактивен 16 мая 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Рави, Б. (2008). Литье металлов: компьютерное проектирование и анализ . PHI Learning Pvt. ООО
- ^ Кэмпбелл, Дж. (2015). Полный справочник по литью: процессы литья металлов, металлургия, технологии и дизайн . Баттерворт-Хайнеманн.
- ^ Стефанеску, DM (2015). Наука и техника затвердевания отливок . Спрингер.
- ^ Редди, Дж. Н. (2006). Введение в метод конечных элементов . Макгроу-Хилл Образование.
- ^ Зенкевич О.К., Тейлор Р.Л. и Чжу Дж.З. (2005). Метод конечных элементов: его основы и основы . Баттерворт-Хайнеманн.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Смит, Джорджия (1985). Численное решение уравнений в частных производных: конечно-разностные методы . Издательство Оксфордского университета.
- ^ Верстег, Гонконг, и Малаласекера, В. (2007). Введение в вычислительную гидродинамику: метод конечного объема . Пирсон Образование.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Ферцигер, Дж. Х.; Перич, М. (2002). Вычислительные методы гидродинамики (3-е изд.). Спрингер. п. 231-235. ISBN 9783540420743 .
- ^ Патанкар, С.В. (1980). Численная теплопередача и поток жидкости . Издательская корпорация Hemisphere.
- ^ Э. Абхилаш и М.А. Джозеф (2009). «Моделирование и моделирование процесса литья: обзор» . Индийский литейный журнал . 55 .
- ^ Incropera, FP, и ДеВитт, DP (2001). Основы тепломассообмена . Джон Уайли и сыновья.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Прасад Б.К. и Саху С. (2014). «Оптимизация конструкции литниковой системы для отливок с использованием компьютерного моделирования и симуляции». Труды Индийского института металлов . 67 (2): 155–163. doi : 10.1007/s12666-013-0350-5 (неактивен 16 мая 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Чугул, Р.Г. (2012). Моделирование и оптимизация кастинга: преимущества, узкие места и лучшие практики . Спрингер.
- ^ Полисетти А., Литтлфэр Г. и Праманик А. (2014). «Разработка CAE-системы для моделирования дефектов литья». Достижения в области материаловедения и инженерии . 2014 : 1–8. doi : 10.1155/2014/956274 (неактивен 16 мая 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Бисвас П. и Саркар А. (2016). «Интеграция CAD/CAE для разработки моделирования процесса литья». Журнал технологии обработки материалов . 238 : 244–253. дои : 10.1016/j.jmatprotec.2016.07.004 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Би, З. (2021). «Компьютерное проектирование (CAE)». Практическое руководство по цифровому производству . Чам: Спрингер: 50–55. дои : 10.1007/978-3-030-70304-2_3 . ISBN 978-3-030-70303-5 .
- ^ Питер Требуна, Мириам Пекарчикова, Яна Кронова (2018). «АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ» (PDF) . Обзор управления и технологии производства . 9 (1). дои : 10.24425/119403 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Ху Х. и Панг Х. (2013). «Использование CAE для проектирования процесса литья и анализа дефектов алюминиевых отливок». Журнал производственных процессов . 15 (1): 14–23. дои : 10.1016/j.jmapro.2012.09.002 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Шмидт П. и Хейльманн К. (2004). «Моделирование процессов литья с использованием ProCAST». Журнал технологии обработки материалов : 1485–1490. дои : 10.1016/j.jmatprotec.2004.04.310 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ В. П. Монастырский (2023). «Опыт применения новой модели пористости «ПолигонСофт» для прогнозирования усадочных дефектов в отливках» . Заготовительные производства в машиностроении (кузнечно-литейные и другие производства) : 51–57. дои : 10.36652/1684-1107-2023-21-2-51-57 .
- ^ Богомолов Д.М., Поляков В.С. (2011). «Применение PoligonSoft для прогнозирования микропористости в отливках». Теоретические основы химической технологии . 45 (6): 896–900. дои : 10.1134/S004057951106008X .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Золоторевский Н.Ю. и Клименов В.А. (2009). «Моделирование и анализ процессов литья с использованием PoligonSoft». Российская Металлургия (Металлургия) . 2009 (2): 144–149. doi : 10.1134/S0036029509020115 (неактивен 16 мая 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Ли, С.Ю., и Ли, П.Д. (2001). «Моделирование процессов литья с помощью MAGMASOFT». Международный журнал исследований литых металлов . 14 (2): 87–92. doi : 10.1080/13640461.2001.11819321 (неактивен 16 мая 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Никаноров А.В. (2018). «Сравнительный анализ компьютерных программ моделирования процессов литья» . Вестник ИрГТУ . 11 (142): 209–218. дои : 10.21285/1814-3520-2018-11-209-218 . ISSN 1814-3520 .
- ^ Сяо X. и Ян Дж. (2020). «Влияние параметров процесса на качество литья и оптимизацию». Журнал производственной науки и техники . 142 (8). дои : 10.1115/1.4047830 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Чжу Х. и Ляо Х. (2017). «Автономная оптимизация процессов при моделировании литья». Достижения в области машиностроения . 9 (3): 1–12. doi : 10.1177/1687814017694538 (неактивен 16 мая 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Ван С. и Го З. (2016). «Сочетание систем, основанных на знаниях, с моделированием для оптимизации процесса литья». Инженерные применения искусственного интеллекта . 52 : 165–173. doi : 10.1016/j.engappai.2016.03.014 (неактивен 16 мая 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Ясухиро Маэда (2010). «Состояние и будущие тенденции литья CAE» . Журнал Японского общества точного машиностроения . 76 (4): 395–398. дои : 10.2493/jjspe.76.395 .