Моделирование микро и макропористости в отливке с помощью САМ ЛП полигон

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Политехнический институт

Кафедра «Сварка, литье и технология конструкционных материалов»

КОНТРОЛЬНО - КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Математическое моделирование литейных процессов»

Тема: МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРО И МАКРОПОРИСТОСТИ В ОТЛИВКЕ С ПОМОЩЬЮ САМ ЛП ПОЛИГОН

Выполнил студент группы 641241/08 - Комаров А.А.

Проверил доцент каф. СЛиТКМ, к.т.н. - Захаров С.К.

Тула 2015

СОДЕРЖАНИЕ

1. Выполнение элементов проектирование технологического процесса изготовления отливки, необходимых для моделирования процесса формирования

2. Построение двумерной геометрической модели сечения литейной формы с отливкой

3. Построение двумерной расчетной геометрической модели отливки и литейной формы

3.1 Генерация конечноэлементной сетки

3.2 Задание индексов конечным элементам и их границам

4. Моделирование температурно-фазовых полей в отливке и температурных полей в литейной форме

5. Расчет микро- и макропористости в отливке

6. Анализ результатов моделирования

Библиографический список

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

литейный отливка моделирование пористость

Формирование свойств отливки зависит от совокупности теплофизических, геометрических и физико-химических факторов взаимодействия отливки с формой. Программное моделирование позволяет на стадии проектирования создавать технологи производства качественной отливки. В настоящее время насчитывается более десяти систем автоматизированного моделирования литейных процессов (САМ ЛП). Немецкие программы MAGMAsoft и WinCast, американские ProCast и SolidCast, финская CastCAE, российские Poligon и LVMFlow и пр. -- это современные интегрированные программные комплексы для моделирования процессов литья. С их помощью можно провести расчет технологии по всем этапам: от заливки и кристаллизации с образованием усадочных дефектов и напряжений, до выбивки, обрезки литников и последующей термообработки для полного контролирования остаточных напряжений в готовом изделии.

Создаваемые в российских университетах прототипы подобных систем находят применение на местных предприятиях, но ограничены несколькими частными случаями или имеют существенные упрощения. Что же касается разработки по-настоящему мощной системы моделирования литейных процессов, то она требует привлечения множества специалистов, а также соответствующего финансирования.

Опыт практического применения САМ ЛП показал, что программные продукты зарубежных производителей не получили серьезного распространения на российском рынке. Причиной тому высокая цена программ, отсутствие в большинстве случаев русского интерфейса и отечественной базы данных по материалам и сплавам, а также сложности обучения.

Программы для моделирования литейных процессов, используемые сегодня в России, в основном различаются степенью полноты факторов, учитываемых при моделировании, и, соответственно, стоимостью.

В данной работе производится расчет литейного процесса детали на базе программы Poligon.

1. Выполнение элементов проектирования технологического процесса изготовления отливки, необходимых для моделирования процесса ее формирования.

Важным этапом изготовления отливок является проектирование технологического процесса изготовления отливки. При проектировании необходимо правильно сделать выбор: материала литейной формы, положение отливки в литейной форме, разъема литейной формы, материал отливки.

Исходные данные для моделирования:

Здание №1

1) эскиз заданного сечения отливки приведен на рисунке 1;

2) марка литейного сплава: сталь 35Л;

3) материал литейной формы: чугун;

4) толщина стенки литейной формы: 40 мм;

5) принять допущение о мгновенном заполнении литейной формы жидким сплавом.

Рис.1. Эскиз сечения отливки



Рис. 2. Форма в сборе

Отливку условно можно разделит на две части: нижнюю и верхнюю. В нижней части отливки имеется отверстие, в верхней части отливки имеется массивный выступ, на который устанавливается открытая прибыль, для предупреждения образования усадочной раковины. С целью соблюдения принципа направленного затвердевания отливки - обеспечивающего затвердевание отливки от тонких сечений к толстым, отливку следует расположить вертикально (рис.1).

2. Построение двумерной геометрической модели сечения литейной формы с отливкой

Построение геометрической модели начинаем с ввода допущений, которые упростят геометрическую модель, но не скажутся существенно на результате моделирования. Построение геометрической модели производим с помощью программы ПИФАГОР, являющейся рабочим модулем САМ ЛП ПОЛИГОН и представляющей собой специализированный двумерный графический редактор. При построение геометрический объект разбиваем на простейшие геометрические элементы - дуги, прямые отрезки. С целью получения более точных результатов вычисления и сокращения объема вычислительных операций в геометрическую модель отливки и литейной формы вводим дополнительные контуры, разбивающие область отливки и литейной формы на подобласти, в каждой из которых будем задавать свое значение параметру, определяющему размеры конечных элементов. Для облегчения процесса построения изображения используем фон - координатную сетку, которая позволяет, используя характерные точки изображения и привязку к узлам сетки, легко построить элементы изображения, проходящие через эти точки.

Процесс построения геометрической модели отливки и литейной формы производим в два этапа:

1. Построение вспомогательных прямых.

2. Построение на их основе элементов основного изображения.

Для построения основного контура объекта ставим узловые точки. Для этого используем режим построения вспомогательных точек, дуг и отрезков и приводим в соответствие положение частей и фрагментов.

Однако построенный геометрический объект не является еще изображением моделируемого объекта, поскольку вспомогательные геометрические построения не отображаются и не используются не в каких модулях ПОЛИГОНА. Поэтому по имеющемуся вспомогательному изображению строим основное изображение, которое также строится в виде набора простейших геометрических элементов: дуг и отрезков прямых (см. рис.2).

После построения основного изображения отливки и литейной формы, вспомогательные линии удаляем. Результаты построения геометрической модели отливки и литейной формы хранятся на дискете в файле Alexey.orn.

3. Построение двумерной расчетной геометрической модели отливки и литейной формы

3.1 Генерация конечноэлементной сетки

Построение конечноэлементной сетки производим с помощью программы ДЕКАРТ -2D, являющейся рабочим модулем САМ ЛП ПОЛИГОН, которая разбивает двухмерную геометрическую модель на конечные элементы.

Исходной геометрией для генерации конечноэлементной сетки является геометрическая модель, созданная в модуле “Пифагор”. При загрузке файл исходной геометрии Alexey.geo. трансформируется в набор замкнутых контуров. После этого входим в подменю генерации конечных элементов. Далее для каждого замкнутого контура указываем два параметра:

1. Размер элементов сетки

2. Принадлежность контура отливке, форме или ничему

Для каждого контура эти параметры отражаются в виде цветных треугольников, нарисованных при одной вершин внутри каждого контура. Активизируя каждый треугольник, задаем ему размер (с помощью клавиши ”Z”), который будет соответствовать размеру элементов при разбивке. Для каждого контура задаем также принадлежность того или иного контура к отливке или форме (с помощью клавишу “3”): формы и окружающая среда присваиваем цвет 9; отливка с прибылью с формой - цвет 5; прибыль и окружающая среда - цвет 8. Визуально оценку того, как будет выглядеть сетка с заданными размерами элементов, производим с помощью нажатия клавиши “X”, в результате в рабочем окне будет нарисована прогнозируемая сетка конечных элементов, которая будет приблизительно соответствовать реально генерируемой сетке. Сделав быструю визуальную оценку заданных размеров генерируемых элементов, можно их уменьшить или увеличить, добиваясь оптимальной сочетания размеров сетки контуров отливки. После чего приступаем к разбиению, нажав клавишу “М”. Устанавливаются параметры конечных элементов, на которые разбивается изображение моделируемого объекта (размер элементов сетки и принадлежность контура отливке, форме или ничему). (Таблица 1)

Таблица 1

Параметры конечных элементов

Элемент	Размер элемента сетки	Примечание
Форма	10(*8)	*-непосредственно рядом с отливкой
Отливка	6
Прибыль	8

По окончании процесса получаем изображение моделируемого объекта, разбитого на конечные элементы (рис. 3).

Рис. 3. Конечноэлементная сетка

Результаты разбиения геометрической модели отливки и литейной формы на элементы хранятся на дискете в файле Alexey.geo.

3.2 Задание индексов конечным элементам и их границам

Задание индексов конечным элементам и их границам производим с помощью программы МАСТЕР - 2D, являющейся рабочим модулем САМ ЛП ПОЛИГОН и предназначенной для редактирования 2.5 - мерных расчетных геометрических моделей отливки и литейной формы, создаваемых программой ДЕКАРТ -2D.

Задание индексов граням конечных элементов производим с помощью нажатия клавиши “В” и установления режима редактирования “ГРАНИ”. Далее присваиваем индексы граням.

Выделяем намеченную грань и вводим ее индекс. В результате грань окрашивается в соответствующий цвет, соответствующий индексу. Задание индексов конечным элементам производим в такой же последовательности, что и задание индексов граням, но установив режим “Элементы”.

В результате выполнения работы были присвоены индексы: 5-конечным элементам формы, 8-конечным элементам отливки, 6-граница отливка-форма, 9-граница форма-воздух.

Результаты отредактированной расчетной геометрической модели отливки и литейной формы хранятся на дискете в файле Alexey.geo.

4. Моделирование температурно-фазовых полей в отливке и температурных полей в литейной форме

Моделирование температурно-фазовых полей в отливке и температурного поля литейной форме производим с помощью программы “Фурье”, являющейся рабочим модулем СКМ ЛП ПОЛИГОН и предназначенной для численного расчета температуры и фазовых полей отливки и литейной формы методом конечных элементов.

Подготовка базы исходных данных производим в меню формирования стартового файла.

Последовательность подготовки стартового файла:

1) В пунктах 1-2 меню формирования стартового файла задаем соответственно условия необходимости записи температуры отливки и значения температур литейной формы.

2) В пункте 3 меню формирования стартового файла задаем значения шага расчета, условия окончания расчета, принимая во внимание, что чем больше габариты отливки, тем большие значения шага расчета можно задавать.

3) Задание начальных условий

В пункте 4 меню формирования стартового файла задаем начальные значения температуры металла в момент окончания заполнения полости формы в верхней и нижних точках отливки.

Принимая во внимание что, металл мгновенно заполняет литейную форму, температура в верхней и нижних точках отливки в момент заполнения принимается одинаковой и равной температуре заливаемого металла t = 1450 °C.

В пункте 5 меню формирования стартового файла задаем начальные значения температуры литейной формы в момент окончания заполнения полости формы. Принимая во внимание что металл мгновенно заполняет литейную форму, температура в верхней и нижних точках формы в момент заполнения принимается одинаковой и равной температуре формы при комнатной температуре t = 20 °C.

Значения начальных температур отливки записаны на дискете в файле Mag.ant.

4) В пункте 10 меню формирования стартового файла, производим загрузку имени файла с расчетной геометрической модели.

Рис.5. Кинетика затвердевания отливки в различные периоды времени

5) Формирование файла производим уже из имеющегося файла свойств литейного сплава ПОЛИГОНА. Свойства выбранного литейного сплава находятся на диске в файле 35-L.BD.

6) В пункте 12 производим задание свойств литейной формы, используя файл со свойствами сплава Standart.bdf. из базы данных ПОЛИГОНА.

7). В пункте 13 производим задание свойств теплопередачи, используя файл теплопередачи Standart.afo. из базы данных ПОЛИГОНА.

После задания начальных условий производим расчет температурных полей в отливке и литейной форме.

Просмотр результатов моделирования производится с помощью программы “Мираж”, являющейся рабочим модулем СКМ ЛП ПОЛИГОН.

Некоторые результаты моделирования температурно-фазовых полей представлены на рис.5.

Результаты расчета температурно-фазовых полей хранятся на дискете в файле ResultatAlexey.ant.

5. Расчет микро - и макро пористости в отливке

Расчет микро- и макропористости производим с помощью программы «ПАСКАЛЬ», являющейся рабочим модулем СКМ ЛП ПОЛИГОН и предназначенной для расчета микро- и макропористости в отливке. Производим запуск программы “Паскаль”. После открытия головного меню выбираем пункт “РАБОТА” и получаем доступ в меню формирования стартового файла.

Рис. 8. Распределение пористости в отливке.

Этап подготовки стартового файла состоит из следующих этапов.

1) В пункте 1 выбираем полный расчет пористости в отливке.

2) В пункте 2 устанавливаем режим «запись давления».

3) В пункте 4 устанавливаем величину внешнего давления, равную атмосферному давлению.

4). В пункте 6 приводим спецификацию файла, в котором хранятся результаты расчета температурных полей в отливке и литейной форме.

5).Задание свойств литейной формы производим в пункте 7, используя файл со свойствами сплава 35L из базы данных ПОЛИГОНА.

После ввода данных приступаем к расчету. Результаты моделирования пористости в отливке представлены на рис 8. Alexey.POR с результатами расчета хранится на дискете.

6. Анализ результатов моделирования

По результату проделанной работы можно отметить, что полученная отливка имеет брака. Пустот не наблюдается. Размеры припуска рассчитаны верно или с запасом. Кристаллизация стали происходит равномерно в отливке. Отсутствие скоплений пористости говори о том, что размеры сетки подобраны верно.

Библиографический список

Основной

1. Павловский, Ю.Н. Имитационное моделирование : учеб. пособие для вузов / Ю. Н. Павловский, Н. В. Белотелов, Ю. И. Бродский.-- М. : Академия, 2008 .-- 236 с. : ил. --(15 экз.)

2. Строгалев, В.П. Имитационное моделирование : учеб. пособие для вузов / В.П.Строгалев, И.О.Толкачева.-- М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2008 .-- 280с. : ил. -- (5 экз.)

3. Мартинсон, Л.К. Дифференциальные уравнения математической физики : учебник для втузов / Л.К.Мартинсон, Ю.И.Малов;под ред. В.С.Зарубина, А.П. Крищенко .-- 3-е изд., испр. -- М. : МГУ им. Н.Э.Баумана, 2006 .-- 364с. : ил. -- (4 экз.)

Дополнительный

1. Свешников, А.Г. МГУ им. М.В.Ломоносова Лекции по математической физике : учеб. пособие для вузов / А.Г.Свешников, А.Н.Боголюбов, В.В.Кравцов; МГУ им. М.В.Ломоносова .-- 2-е изд., испр.и доп. -- М. : Изд-во МГУ:Наука, 2004 .-- 416с. : ил. -- (7 экз.)

2. Агошков, В.И. Методы решения задач математической физики : [учебное пособие] / В.И.Агошков, П.Б.Дубовский, В.П.Шутяев;под ред. Г.И.Марчука .-- М. : ФИЗМАТЛИТ, 2002 .-- 320с. -- (13 экз.)

3. Колесов, Ю.Б. Моделирование систем. Практикум по компьютерному моделированию : учеб. пособие для вузов / Ю.Б.Колесов, Ю.Б.Сениченков.-- СПб. : БХВ-Петербург, 2007 .-- 352с. : ил.+ 1 опт. диск (CD_ROM) -- (1 экз.)

4. Хрусталев, Б.М. Тепло- и массообмен : учеб. пособие в 2 ч. Ч.1 / Б.М.Хрусталев [и др.];под ред. А.П.Несенчука .-- Минск, 2007 .-- 606с. : ил. -- (1 экз.)

5. Брюханов, О.Н. Тепломассообмен : учеб. пособие для вузов / О.Н.Брюханов, С.Н.Шевченко.-- М. : АСВ, 2005 .-- 460с. : ил. -- (11 экз.)

6. Пуанкаре, Poincare H. Термодинамика / А.Пуанкаре; пер.с фр. О.И. Яковенко; под ред. И.А.Квасникова .-- М. : Регулярная и хаотическая динамика, 2005 .-- 332с. -- (1 экз.)

7. Сборник задач по уравнениям математической физики / В.С.Владимиров [и др.]; под ред. В.С.Владимирова .-- 4-е изд., стер. -- М. : Физматлит, 2003 .-- 288с. -- (5 экз.)

8. Ерофеенко В.Т. Основы математического моделирования: Курс лекций / В. Т. Ерофеенко, И. С.Козловская.-- Минск : БГУ, 2002 .-- 195с.: ил.

9. Советов, Б.Я. Моделирование систем : учебник для вузов / Б.Я.Советов, С.А.Яковлев .-- 4-е изд.,стер. -- М.: Высш.шк., 2005 .-- 342с.

10. Захаров С.К. Сборник лабораторных работ по дисциплине: «Компьютерное моделирование процессов формирования отливок», 2012, 183 с. (Ресурс кафедры).

11. Захаров С.К. Сборник практических работ по дисциплине: «Компьютерное моделирование процессов формирования отливок», 2012, 69 с. (Ресурс кафедры).

Размещено на Allbest.ru