автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Численный расчет распределения потоков в литниковых системах коллекторного типа с целью диагностики и оптимизации гидравлического режима течения металла

На правах рукописи

РГ8 ОД

Прнхожнн Олег Валерьевич

ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТОКОВ В ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ КОЛЛЕКТОРНОГО ТИПА С ЦЕЛЬЮ ДИАГНОСТИКИ И ОПТИМИЗАЦИИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА

Специальность 05. 16. 04. "'Литейное производство"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С. -Петербург - 1997

Работа выполнена в Санкт - Петербургском государственном техническом университете на кафедре физико-химш литейных сплавов и процессов.

Научный руководитель:

канд. техн. наук, проф. В.М. Голод.

Официальные оппоненты:

дои. техн. наук, нроф. М.А.Иоффе, канд. техн. наук. А.Ю.Липчинский.

Ведущая организация: АООТ «Ижорские заводы», г.Санкт-Петербург.

заседании диссертац , , 08 в Санкт-Петербургском

государственном техническом университете

по адресу: 195251, г. С.-Петербург, ул. Политехническая, 29, СПбГТУ, химический корпус, ауд. 51.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по указанному выше адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 063.38.08.

Автореферат разослан" ^ " Ь-^Ал^Л 1997г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 063.38.08

докт. техн. наук, проф. Г. С. Казакевич

Защита состоится

1997г. в А -о часов на

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Проектирование рационального гидравлического режима течения металла в каналах литниковых систем в большинстве случаев практики литейного производства оказывает определяющее влияние на весь комплекс последующих процессов, имеющих место при формировании отливки, и качество изделия в целом.______ ________ ______

Проведенный анализ публикаций свидетельствует, ню и настоящее время не существует полного математического описания процессов, происходящих при движении металла по каналам литниковой системы. Большинство исследователей при расчете течения металла принимают за основу уравнение Бернулли для струйного течения жидкостей. Между тем, во многих случаях литниковые системы относятся к коллекторному типу, где происходит разделение потоков на несколько рукавов. 11римснсние уравнения Бернулли для этого случая является неправомочным, что уже отмечалось рядом современных исследователей (Хасилев В.Я., Мереттков А.П., Мееровкч И.Г. и др.), использующих для гидравлических расчетов элементы теории цепей. Обширные экспериментальные данные прошлых лет подтверждают необходимость использования численного анализа закономерностей разделения потоков в литниковых системах с целью учена их перераспределения в период заполнения формы и влияния на процесс заливки в целом.

Сложность поставленной задачи определяется в первую очередь многофакторностью рассматриваемого процесса. Движение металла в литниковой системе объединяет различные по своей физической природе процессы и зависит от большого количества параметров, которые в свою очередь являются взаимозависимыми па протяжении всего процесса заполнения. Построение математической модели необходимо для численного анализа и расчета таких явлений, как размыв формы, улавливание частиц ишака, возникновение разрежения и ряда других, которые сопутствуют процессу течения металла и определяют вид и количество литейных дефектов. Важным моментом является необходимость уточнения правомерности использования уравнений и коэффициентов классической гидравлики жидкостей, а также разработка методов адаптивного расчета потерь напора в характерных разветвлениях литниковых систем при движении в них расплавленного металла с учетом характерных особенностей, присущих этому процессу.

Выбор рационального гидравлического режима течения металла средствами численного моделирования позволяет обеспечить требуемое качество отливок, а также снизить временные и материальные затраты на разработку, коррекп ировку и принятие технологического решения.

Диссертационная работа проводилась при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований в области машиностроения по разделу «Литейное производство» (код 55.15) за 1996-1997г.г.

Материалы диссертации докладывались на межвузовской конференции «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки» (Санкт-Петербург, 1995); всероссийском молодежном научном форуме «Интеллектуальный потенциал России - в XXI век» (Санкт-Петербург, 1995); межвузовской научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах» (Санкт-Петербург, 1997); научно-методическом семинаре «Перспективные САБ/САМ/САЕ-технологии в высшей технической школе» (Казань, 1997).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. На основе обобщения теоретических исследований и численной обработки экспериментальных данных разработать математическую модель течения металла в каналах коллекторных литниковых систем с целью анализа и детерминированной диагностики сопряженных процессов движения металла в литниковой системе и заполнения полости формы для сплавов различного состава и широкой номенклатуры отливок при разработке и корректировке технологического процесса. Для этого решались следующие задачи:

• создание математической модели течения металла в коллекторной литниковой системе, которая на основе совместного решения задач течения металла и заполнения полости формы позволяет количественно описать происходящие при этом процессы с учетом ярусности литниковой системы и формы;

• численная обработка экспериментальных данных по заливке литниковых систем коллекторного типа различной степени сложности конструкции с целыо выявления закономерностей течения металла, уточнения значений коэффициентов сопротивления для черных и цветных сплавов, заливаемых в песчаные формы;

• разработка математического обеспечения численной модели на основе оптимизации методом симплексного поиска параметров модели, расчета коэффициентов потерь напора;

• разработка принципов детерминированной диагностики и методов численного расчета критериев диагностической оценки параметров гидравлического режима течения металла на основе принятой математической модели потокораспределения;

• разработка концепции и программного обеспечения для интегрированного решения задач синтеза и анализа литейной технологии для проектирования и корректировки технологии на примере технологической цепочки: расчет литниковой системы - гидравлическое моделирование - гидродинамическое моделирование - диагностика - оптимизация - принятие решения.

НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В рамках разработанной модели описывается обобщенный процесс течения металла в каналах литниковых систем

коллекторного тика, что позволяет использовать полученную модель для рационального выбора конструкции литниковой системы и оптимизации ее размеров, прогноза образования дефектов для различных сплавов и форм, типов литниковых систем и конфигураций отливок. Разработанная численная модель потокораспределения учитывает:

• получено решение задачи расчета гидравлического режима и распределения потоков для обширного класса коллекторных __ лит никовых _ систем, - для которых использование канонической формы уравнения Бернулли недопустимо;

• разработана новая математическая модель течения металла, базирующаяся на термодинамическом принципе минимального производства ипропии и обеспечивающая экономную постановку и решение задачи как для проточных, гак и для коллекторных литниковых систем;

• разработана методика численного решения задачи условной оптимизации режима течения металла в литниковой системе с выбором пелевой функции и ограничений, обеспечивающих предотвращение комплекса дефектов, возникающих при заливке формы;

• решение задачи численного расчета распределения температур и давления в потоке металла для сложных по конструкции литниковых систем в процессе заполнения литейной формы;

• создан программный комплекс для реализации интегрированного набора проектных и расчетных процедур автоматизированной разработки литейной технологии на основе использования машинных средств геометрического моделирования гидравлических и гидродинамических процессов, диагностики и численной оптимизации проектных решений.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В результате выполнения работы: » разработано программное обеспечение для численного моделирования процесса течения металла в коллекторных литниковых системах, обеспечивающее возможность расчета гидравлических параметров течения расплава в любом сечении литниковой системы и процесса заполнения полости формы заданной конфигурации;

• разработана методика и программное обеспечение для компьютерного анализа, детерминированной диагностики и оптимизации параметров численной модели с целью прогноза образования дефектов, выбора рационального режима заливки, размеров и конструкции литниковой системы;

• па основе интеграции решения разнопрофильных задач синтеза и анализа разработано программное обеспечение для автоматизированного проектирования литейной технологии в условиях крупносерийного производства отливок на автоматической линии безопочпой формовки 018ЛМАТ1С для ЛО «КАМАЗ».

Созданное программное обеспечение является оригинальным и образует взаимосвязанные модули «Технология», «Гидравлика» и «Гидродинамика» интегрированной САПР литейной технологии "POLYCAST", эксплуатируется на ПЭВМ, оснащено дружественным пользовательским интерфейсом с представлением результатов в наглядной форме и ориентировано на применение как технологами-литейщиками, так и инженерами-исследователями.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Математическая модель течения металла в коллекторных литниковых системах на основе системы уравнений, представляющих экстремальный принцип распределения потоков.

2. Методика детерминированного анализа и прогноза образования дефектов на основе численного моделирования гидравлических процессов, а также разрежения в потоке и температурных потерь в литниковой системе.

3. Методика определения рационального режима заливки и соотношения сечений литниковой системы на основе совместного решения задач детерминированной диагностики и численной оптимизации течения расплава с помощью модифицированного метода симплексного поиска.

4. Концепция интегрированного программного комплекса для разработки технологии и анализа условий получения качественных отливок для различных видов литья.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 10 статей.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложений. Материалы работы изложены на 124 страницах машинописного текста, содержат 12 таблиц, иллюстрированы 30 рисунками. Список литературы содержит 112 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность темы диссертационной работы, представлены научная новизна, практическая ценность работы и положения, выносимые па защиту.

В первой главе на основании литературных источников рассмотрены основные закономерности, положенные в основу анализа и расчета гидравлического режима течения металла в литниковых системах.

Большая часть раздела посвящена сравнительному анализу существующих методик расчета параметров гидравлического режима в приложении к различным конструкциям литниковых систем и типам технологических процессов. Дано определение коллекторных литниковых систем (см. рис.1,а), в которых происходит разделение потока на два и более

рукава. Обоснована необходимость количественного учета комплексного влияния технологических и гидравлических параметров на процесс заполнения формы с использованием численных методов и ЭВМ. Показано, что без корректировки коэффициентов в уравнениях для расчета потерь напора не может быть осуществлена численная адаптация математической модели к условиям течения расплавленного металла. Вводится понятие детерминированной диагностики гидравлического режима заливки форм. В заключительной части раздела формулируется постановка задачи.

Вторая глава посвящена разработке математической модели, описывающей процесс течения и разделения потока металла в каналах коллекторных литниковых систем, в основу которой положен экстремальный принцип потокораспределения.

Процессы, происходящие при течении металла в литниковых системах, являются предметом изучения в теории цепей (электрических, тепловых, гидравлических и т.п.). В цепях протекают принципиально необратимые процессы диссипации энергии потока (электрической или механической) в тепловую и передачи теплоты в окружающую среду. Экстремальная модель потокораспределения формулируется на основе второго закона термодинамики, устанавливающего необратимость природных процессов, и теоремы И.Р.Пригожина, согласно которой любая многовариантная система имеет устойчивое стационарное состояние, соответствующее минимальному производству энтропии:

— =>шт, (1)

й?Г

где Б - энтропия системы, г - время.

В механической (гидравлической) системе в условиях стационарного течения производство энтропии ири температуре Т обусловлено диссипацией энергии:

Я = Ц (2)

в результате совокупных потерь напора, которые для 1-го элемента потока выражаются уравнением:

¿0., =<7,Лй, (3)

где q¡ - расход жидкости, АЛ, - суммарные потери напора па местных сопротивлениях и в результате трения, поэтому для установившейся системы потоков выполняется условие:

Т = = => тш. (4)

ат со I I о)

Решение задачи (4) дает потокораспределение в литниковой системе при условии выполнения законов сохранения массы

= «, Р = 1,2,...,п (5)

и энергии

ЛГ7-£<7,^=0, (6)

ю

где п - общее количество внутренних узлов системы (точек слияния и разделения потоков), - А и - изменение внутренней энергии системы, д -расходы т потоков, образующих р-ый внутренний узел, - и расход в к-ых внешних узлах системы (см. рис.1,а), т.е. на входе и выходе из нее.

Внутренняя энергия системы потоков (притоков и стоков) определяется соотношением:

и,=Т1к

где //4 и Ек - соответственно потенциальная и кинетическая составляющие внутренней энергии.

Применительно к литниковой системе величина Пк учитывает не только пьезометрический, но и геометрический напор во внешних узлах системы (литниковая чаша(и) и питатель(и)):

где Рк - внешнее давление в к-ом узле (входе или выходе из литниковой системы), Ик - высота к-ого узла относительно некоторого нулевого уровня, р -плотность металла, д - ускорение силы тяжести,

Кинетическая энергия Ек, выражается через скорость у. в к-ом тале формулой:

V. = -

Уравнение неразрывности (5) связывает между собой расходы в любом внутреннем узле литниковой системы, что дает возможность решить задачу с неравномерным потокораспределением.

Применительно к внешним узлам литниковой сиаемы уравнение неразрывности задает равенство входных и выходных расходов в литниковой системе в условиях установившегося течения металла:

!>;/;" ¿4/= 0, (8)

1-1 .-I

где /_ и и, - площадь сечения и скорость в ь ом питателе, / и - площадь

сечения и скорость в ^ом входе в литниковую систему.

Выражение (6) представляет собой уравнение баланса энергии в литниковой системе. С учетом особенностей конструкции коллекторных литниковых систем и присущих практике разновидностей технологии заливки (стопорный ковш с п-ым количеством стопорных стаканов, многоковшевая заливка, ярусная литниковая система и т.н.) уравнение (6) может быть

выражается в виде уравнения Бернулли, адаптированного к условиям течения разветвляющихся потоков:

/ ТУ 2\

' Р, V,

\

' рё 2ё) 1 Рё 2%

где т - количество входов в литниковую систему, п - количество выходов из литниковой системы, Яу, 1\, , и]и Я,, , и - соответственно

геометрический напор, давление, расход и скорость течения металла на .¡-ом входе и ьом выходе из литниковой системы, АД - потери напора на i - ом выходе из литниковой системы.

Давление Р1 на выходе из литниковой системы определяется условиями свободного истечения металла в форму с учетом особенностей ее геометрии и противодавления АР1 (газового или гидростатического), соответствующего различным методам лтъя. Противодавление (противонапор) металла А1], возникающее в случае, когда высота металла в форме Иг{г) становится больше,

чем уровень подвода йго питателя относительно дна формы, рассчитывается для каждого момента времени заполнения по формуле:

при йДг) ей,

!,) при Л/(г)>А,

Таким образом, математическая модель течения металла в литниковых системах имеет общий вид задачи отыскания оптимума целевой функции

л

Хд.Дй, => шш (9)

А

при условиях:

Р. и2Л

;=1

Р8

Р.

+ + - + Г + М- Р./, (10)

Р& 2 g

2>*/*-1ч/.=0. (11)

На рис1,б показана геометрическая интерпретация принципа экстремального потокораспределения, когда в результате пересечения поверхности целевой функции Ф1 с функцией-ограничением Ф2 формируется область значений, минимум которых (х ) является решением, задавая искомую величину параметров х, и х2. Решение задачи (9)-(11) с использованием соотношения (5) дает значения скоростей V, и расходов <7, на всех участках литниковой системы при заданных геометрических характеристиках и давлениях во внешних узлах.

На основе известного распределения скоростей в литниковой системе производится расчет пьезометрического давления но формуле:

= рл> + Я//, -Я„</„) + и\,, - ц,^)(12а)

где Я0, Р„, и0, д0 и //, Р, иг, <7,- геометрический напор, пьезометрическое давление, скорость течения и расход металла соответственно на входе и выходе из капала (разветвления) при т ответвлений каналов.

Уравнение (12а) содержит ш неизвестных по количеству ответвлений в точке разделения потоков (т-1 - нет ответвлений, т-2 - два ответвления и т.д.). В случае, когда т>1, необходимо дополнительное соотношение, определяющее распределение давлений в месте разделения потоков:

ЛР<7, = ЛР^,,! =...= АРтд„ (126)

где АР - изменение давления при разделении на т потоков в разветвлении литниковой системы.

На основе уравнений (12) производится расчел изменения давления на участках каналов литниковых систем в зависимости от их расположения в пространстве и способа соединения. Для характерных вариантов соединения литниковых каналов выведены уравнения и построены эпюры давлений. На рис. 2 приведено изменение давления в каналах при разветвлении потока для двух вариантов расположения его в пространстве: в вертикальной (сплошные линии) и горизонтальной (пунктирные линии) плоскости.

Для полости формы заданной конфигурации путем моделирования процесса заполнения на основе сформулированной системы уравнений рассчитывается динамика течения металла в литниковой системе с учетом скорости заполнения полости формы, геометрической конфигурации каналов, ярусности литниковой системы и способа подвода металла, а также взаимного влияния этик и ряда других параметров в процессе заливки. В третьей главе рассмотрены особенности компьютерного представления грехмерной геометрии литсшковой системы, численный расчет потерь напора и коэффициентов местных гидравлических сопротивлений для характерных случаев разделения потока.

Геометрическая модель литниковой системы представлена в виде набора параметризованных конусообразных элементов, расположение в пространстве, форма и размеры которых заданы координатами начала и конца элемента, а также площадью поперечного сечения оснований конуса. Геометрическая модель полости формы задается набором ее горизонтальных сечений с заданным шашм по высоте.

Машинное поэлементное представление трехмерной геометрии литниковой системы использовано для вычисления потерь напора во всех элементах, по отдельным участкам течения разветвляющихся потоков, а также д;|я системы в целом. Для всех типов местных сопротивлений, присущих литниковым системам различной конструкции, производится расчет потерь напора ДЛ в зависимости от типа местного сопротивления, величины местной скорости потока vl и режима течения, характеризуемого числом Рейнольдса 11е:

Численный расчет обеспечивает на каждом этапе заполнения формы учет влияния нестационарности течения, перераспределения потоков по мере заполнения полости формы (отдельных форм), температуры заливаемого металла и т.д.

Экстремальный принцип потокораспределения в литниковой системе (1), использованный применительно к разделению потока на два рукава (рис.3,а), позволил произвести корректировку и отсеивание недостоверных данных, приводимых различными исследователями. Сопоставление приведенных потерь напора в магистральном (д,Д/^) и боковом (д2АИ2) потоках при различном

достоверные значения ^ и ^ могут быть получены только при совместной с экстремальным принципом постановке задачи, которая позволяет рассчитать значения гидравлических сопротивлений при условии минимума суммарных потерь напора (точка А) и равенства потерь напора по отдельным ветвям конкретного разветвления или литниковой системы в целом (точка В). На рис.3,б представлено взаимное расположение кривых после проведения численной оптимизации, которое дает искомые значения коэффициентов в уравнениях для расчета потерь напора с учетом геометрических параметров рассматриваемого типа разветвления и соотношения расходов металла при разделении потока. При использовании в расчетах не оптимизированных данных по коэффициентам сопротивления возникает известная в литературе проблема двойственности потокораспределения в сетях, оцениваемого балансовым подходом (на основе законов Кирхгофа) и на основе термодинамического экстремального принципа.

Представленные на рис.3,а результаты гидродинамического анализа структуры потоков в разветвлении получены на основе решения методом установления уравнений Навье-Стокса для стационарных условий:

где V - кинематическая вязкость расплава.

На основе гидродинамического моделирования характерных разветвлений коллекторных литниковых систем выполнена оценка взаимного влияния последовательно расположенных питателей при различных условиях течения и скругления каналов.

Установленное экспериментально рядом исследователей влияние температуры заливки на коэффициент расхода литниковой системы, как показано в работе, связано с изменением температуры металла в процессе заливки и соответствующим изменением числа Рейнольдса с учетом температурной зависимости вязкости при охлаждении расплава:

соотношении расходов в разветвлении

свидетельствует (рис.3,б), что

Р

1

а)

1 -чЛк^д^

Чг^г

б)

Оссрхпъпстсщ мЬ

Рис.З

о 8-

Время, с

Рис.4

МЛ '<-.). <И»

где (д,)т - коэффициент гидравлического сопротивления в условиях

турбулентного режима течения, А - коэффициент, зависящий от типа и геометрии разветвления потока, и, г?,,*, -коэффициент местного сопротивления, скорость течения, диаметр канала и температура металла в разветвлении. Значение параметра п установлено на основе температурной зависимости коэффициента расхода литниковой системы от температуры заливки. В зависимости от марки сплава (чугун, алюминиевые сплавы) п изменяется в пределах от 0.75 до 0.9.

Расчет распределения температур в потоке металла при движении по каналам литниковой системы, необходимого для вычисления коэффициентов £ согласно формуле (13), произведен в работе на основе решения одномерного уравнения Фурье для конвективного переноса тепла в каналах переменного сечения, которое для 1-го элемента литниковой системы записывается в виде:

где Л/, - изменение температуры металла tl в ьом элементе за промежуток времени Аг, Ах - продольная длина ¿-го элемента потока, - боковая поверхность и объем элемента, - сечение потока на входе и выходе из

элемента, а - коэффициент теплоотдачи от металла к форме, С - удельная теплоемкость металла.

Величина Д/, как показано расчетом, вследствие преимущественного влияния условий конвективного переноса тепла вдоль потока и теплообмена со стенками формы, определяется особенностями конструкции и режима течения в литниковой системе. На рис.4 представлены температурные потери на выходе из питателей коллекторной литниковой системы, выполненной в форме с вертикальным разъемом. Температурные потери за период заполнения формы изменяются в пределах ЗО..Ю°С (для ближнего к стояку питателя) и 70..30°С (для самого удаленного питателя) и зависят от соотношения скорости течения металла в разветвлениях, изменения схемы разделения потоков, связанного с разновременным окончанием заливки отдельных форм, а также прогрева материала формы.

Результаты моделирования с уточненными зпачешшми коэффициентов гидравлических сопротивлений показали высокую сходимость с экспериментальными данными для литниковых систем различной конструкции при заливке чугуна и алюминиевых сплавов.

В четвертой главе излагается методика и особенности использования модифицированного метода симплексного поиска (ММСП) для решения системы уравнений (9)-(10), а также некоторых прикладных задач с целью обеспечения требуемой точности решения и адаптации модели к условия^

практического применения.

Постановка рассматриваемой задачи требует не только учета комплексного влияния гидравлических параметров (как взаимного, так и на процесс в целом), но и контроля за изменением их значений в процессе расчета и оптимизации. В этом случае задача оптимизации трансформируется из безусловной в условную, когда наряду с целевой функцией выставляются ряд условий при поиске решения (например, ограни чети на параметры процесса), а движение симплекса происходит в пространстве с наложенными ограничениями, т.е. только в пределах специально оговоренной допустимой области.

Показана высокая сходимость результатов при постановке задачи оптимизагши для поиска решения в случае расчета распределения скоростей течения .металла в литниковой системе, содержащей п - питателей.

Возможности ММСП, связанные с движением симплекса в пространстве с наложенными ограничениями, демонстрируются в работе на примере адаптации модели корректировкой зпачеппй коэффициентов в уравнении для расчета потерь напора в литниковой системе (см.рис.3,б). В качестве целевой функции выбирается комплексный параметр, определяющий минимум потерь напора в разветвлении, а условия оптимизации задаются 01раничениями на факторное пространство, образуемое значениями коэффициентов, известными из гидравлики. Показана высокая эффективность использования ММСП при решении задач такого рода.

В пятой главе дается определение и предлагается концепция

детерминированной компьютерной диагностики гидравлического режима течения металла с использованием матемапгческой модели потокораспределсния, рассматриваемой к работе.

В основу детерминированной диагностики положен расчет критических значений параметров гидравлического режима, определяющих возникновение конкретного вида литейного брака, применительно к реальным условиям технологического процесса, с учетом свойств металла и материала литейной формы. На основе анализа литературных данных но существующим методам диагностики качества отливки с использованием результатов численного моделирования процесса заливки осуществлено вычисление основных критериев диагностической оценки режима течения металла с целью предотвращения дефектов типа:

• «недолив», как следствие остановки потока при падении температуры в канале литниковой системы согласно уравнению (14);

* газовые включения, внедряющиеся в поток в местах падения давления ниже атмосферного и инжекции воздуха из формы в соответствии с уравнением (12);

в эрозия формовочной смеси при недостаточной прочности поверхностного слоя при заданных гидравлических параметрах или повышенной степени турбулентности потока, оцениваемой на основе уравнений (9)-(10).

Реализован анализ гидравлического режима с целью оценки:

• рационального выбора соотношения сечений литниковой системы по условию оптимальной продолжительности заливки;

• неравномерности действия питателей;

• эффективности шлакоулавливания по известному значению скорости в канале и состоянию потока, в соответствие с уравнениями (9)-(10).

Оценка эффективности шлакоулавливания произведена на основе разработанного критерия, учитывающего турбулентное состояния потока и влияние параметров гидравлического режима, свойства сплава, размеры и плотность шлакового включения. Положение частицы шлака или формовочной смеси, движущейся в потоке металла, определяется воздействием силы всплывания (результирующая архимедовой силы и силы тяжести), направленной вверх, а также противоположно направленных подъемной силы Рр (возникающей вследствие градиента скорости по сечению шлакоуловителя) и пульсационной силы (зависящей от степени турбулентности потока), приводящих к взвешиванию и увлечению частицы потоком. Частица приобретает устойчивое положение в верхней части канала, гарантирующее ее задержание, когда выполняется соотношение:

где г - радиус включения, р1 - плотность шлака, Сх - коэффициент сопротивления частицы потоку, зависящий от критерия Рейнольдса, V/ -вертикальная составляющая пульсационной скорости турбулентного потока, а -коэффициент, учитывающий интенсивность турбулентности потока. На рис.5 приведена диаграмма условий задержания включений в зависимости от скорости потока, размеров и плотности включения при различных значениях коэффициента гидравлического трения и диаметра канала в сопоставлении с экспериментальными данными Б.В.Рабиновича по взвешивающей скорости при заливке чугуна.

Произведен расчет критической скорости течения металла в канале литниковой системы для условий эрозии поверхности формы. Частица на поверхности формы испытывает действие указанных выше сил всплывания Р¥, подъемной и пульсационной Ь\у, а также силы лобового давления

= , где V площадь лобового контакта частицы с потоком.

Если суммарное действие на частицу превосходит сцепление частицы с материалом формы, происходит эрозия поверхности. На рис.6 представлена диаграмма эрозионной устойчивости формы в зависимости от скорости течения расплава при различных диаметрах частицы и значениях коэффициента гидравлического трения для различных материалов формы. Рекомендации

К

>1

Цламетр включения, мм

Рис.5

Сцепление материала формы, кПа Рис.6

П.Ф.Василевского по предотвращению размыва литейных форм при заливке стали удовлетворительно согласуются с результатами расчета.

Детерминированная диагностика учитывает комплексное влияние гидравлических и технологических параметров заливки с использованием рассчитанных, применительно к особенностям изучаемого процесса, критериев диагностической оценки. На примере расчета течения металла в литниковой системе, представленной на рис.4, рассматривается определение области допустимых значений (ОДЗ) изменения параметров гидравлического режима, при которых обеспечивается выполнение требований технологического процесса и необходимый уровень качества отливки (рис.7). Критическими значениями скорости подъема металла в форме и истечения металла из питателя, накладываемыми на поле расчетных значений этих параметров, формируется ОДЗ изменения геометрических параметров литниковой системы, при которых устанавливается рациональный режим течения металла.

Наиболее эффективно использование метода детерминированной диагностики гидравлического режима при совместной постановке с задачей оптимизации на основе ММСП. Параметры гидравлического процесса в этом случае определяют набор исходных данных для оптимизации, которые итерационно изменяются в пределах, задаваемых совокупностью критериев детерминированной диагностики. Приводится решение задачи выбора оптимального соотношения сечений литниковой системы для многоярусной формы, используемой при производстве отливок из серого чугуна на линии безопочной формовки 1ЖЛМАТ1С. В качестве целевой функции задачи оптимизации принимается минимизация разновременности заполнения форм, расположенных на разных ярусах литниковой системы - одного из возможных критериев диагностической оценки гидравлического режима в многоярусных литниковых системах.

В шестой главе приведена концепция, представлены характерные особенности и возможности интегрированных систем автоматизированного проектирования литейной технологии (ИСАПР ЛТ).

Структура и возможности интегрированных систем рассмотрены на примере ИСАПР ЛТ «РОЬУСАЗТ», ориентированной на крупносерийное производство отливок из чугуна (рис.В). В ИСАПР ЛТ «РОЬУСАЗТ» впервые объединены и всесторонне интегрированы средства синтеза и анализа литейной технологии, что предоставляет технологу-литейщику новые возможности проектирования технологического процесса средствами ЭВМ от самых ранних стадий предварительных технологических расчетов до современного компьютерного анализа на основе численного моделирования сопряженных литейных процессов и оптимизации с получением требуемого комплекта технологических документов.

В рамках ИСАПР реализовано интегрированное решение задач расчета гидравлического режима течения металла в литниковой системе и гидродинамического режима заполнения полости формы на основе известного

Рис, 7

-------------,

ПРОЕКТИРОВАНИЕ (СИНТЕЗ)

Классификатор типовых технологических процессов

Геоме 1 рнческая модель отливки

Р асче г ирибы л и

Расчет литниковом системы

Размеш сипе моделей на плите

| МОДЕЛИРОВАНИЕ

Гидравлические процессы

Гидродинамические процессы |

| Затвердевание н усадочные процессы |

| Кристаллизационные процессы

АНАЛИЗ

| Детерминированная диагностика

Опт и м изация

I ( ДОКУМЕНТАЦИЯ | ^

Рис.8

распределения скоростей подачи металла в форму и температуры металла на выходе из питателей. По результатам расчетов сделаны выводы о недостаточной информативности некоторых известных гидравлических параметров литейной диагностики, например, средней линейной скорости подъема зеркала металла. Неоднородное распределение температуры металла по сечению формы, связанное с перемещением масс металла от питателя в отдаленные части отливки, разновременное заполнение отдельных объемов отливки и некоторые другие факторы, могут стать причиной образования трещин, пористости и других литейных дефектов. Показана возможность корректного решения такого рода проблем с учетом комплексного влияния технологических, гидравлических и гидродинамических параметров процесса заливки на основе совместного решения этих задач в рамках интегрированных проектных систем.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ современного состояния литейной гидравлики на основе обзора теоретических и экспериментальных данных показал, что в настоящее время не существует аналитических методов расчета параметров гидравлического режима течения металла в литниковых системах коллекторного типа, адекватно учитывающих многофакторность и динамику этого процесса, и выявил актуальность создания математической модели, описывающей совместный процесс потокораспределения в каналах коллекторной литниковой системы и заполнения полости литейной формы.

2. Разработанная математическая модель течения металла на основе термодинамического экстремального принципа потокораспределения в литниковой системе учитывает широкий набор основных металлургических, технологических и физико-химических факторов, оказывающих влияние на гидравлический режим течения металла. Численное решение математической модели позволяет рассчитать значения и учесть взаимное влияние таких параметров, как скорость, давление, температура металла, изменяющихся во времени, с целью анализа процессов шлакоулавливания, эрозии формы, разрежения и т.п.

3. На основе экстремального принципа потокораспределения решена задача корректировки коэффициентов гидравлических сопротивлений в разветвлениях с целью адаптации численной модели к условиям течения и анализа закономерности распределения расплава по каналам, последовательно расположенным на коллекторе или стояке литниковой системы.

4. Нелинейность математической модели, многофакторность изучаемого процесса, необходимость учета взаимного влияния и контроля за изменением гидравлических параметров в процессе заливки определило потребность и показало высокую эффективность использования в качестве метода решения модифицированной процедуры симплексного поиска, специально

адаптированной к решению задач потокораспределения в литниковых системах сложной конструкции.

5. Метод детерминированной компьютерной диагностики на основе предлагаемой в работе численной модели позволяет вскрыть механизмы различных процессов, имеющих место при течении металла по литниковой системе, открывая возможности построения современных математических моделей для прогноза и анализа широкого спектра литейных дефектов.

6. Расчет совокупности критериев диагностической оценки для конкретных условий технологического процесса формирует допустимую облаем изменения параметров технологии, при которых устанавливается рациональный режим течения металла, устойчивый к случайным изменениям технологических факторов процесса заливки.

7. Комплексная оценка конструкции литниковой системы и режима заливки становится возможной на основе интегрированного решения задач синтеза (расчет сечений литниковой системы) и анализа литейной технологии (гидравлическое и гидродинамическое моделирование течения металла в литниковой системе и полости формы) при условии совместного использования метода детерминированной диагностики и числешюй оптимизации рассматриваемых процессов.

8. Системная интеграция средств численного моделирования и автоматизированного проектирования в рамках итерированных САПР значительно повышает эффективность разработки технологического процесса за счет экономии временных, материальных и людских ресурсов. Создано и опробовано необходимое программное обеспечение для реализации всех стадий разработки и контроля технологического процесса.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Прихожий О.В. Численное моделирование течения металла в многоярусных коллекторных системах,- Научно- техническая конференция студентов. Тезисы докладов.-Санкт-Петербург, 1994.-С.32-33.

2. Прихожий О.В. и др. iïinei рация средств анализа и синтеза в САПР литейной технологии,- Литейное производство, 1994,№ 10-11.-С.54-55.

3. Прихожий О.В., Рост Ю.В., Голод В.М. Использование средств компьютерного моделирования в обучении студентов- литейщиков.-Научно-методическая конференция "Высокие интеллектуальные технологии образования и науки".Тезисы докладов.-Санкт-Петербург, 1995.-С.167-168.

4. Прихожий О.В.; Осипов П.А., Голод В.М. Моделирование гидравлических процессов при заполнении многоярусной литейной формы.-Аннотированный каталог учебных программных средств, вып. 3.-Санкт-Петербург, 1995.-С.93-94.

5. Прихожий О.В., Зуев М.В., Петушип С.Э. Программный комплекс для моделирования и оптимизации литейных процессов методом симплексного поиска параметров численной модели.-Всероссийский молодежный научный

форум "Интеллектуальный потенциал России - в XXI век". Тезисы докладов-Санкт-Петербург, 1995.-С.64-66.

6. Прихожий О.В., Зуев М.В., Петушин С.Э. Программный комплекс для оптимизации условий заливки и затвердевания отливок методом симплексного поиска параметров численной модели.-Научно-техническая конференция студентов СПбГТУ.Тезисы докладов.-Санкг-Петербург, 1995,-С.115.

7. Прихожий О.В., Хегай М.К., Голод В.М. Математическое моделирование распределения пьезометрических давлений в коллекторной литниковой системе.-Научно-техническая конференция студентов СПбГТУ.-Санкг-Пегербург, 1996.-С.203.

8. Прихожий О.В., Петушин С.Э., Голод В.М. Оптимизация гидравлического режима заполнения литейной формы методом симплексного поиска.-В сб.:"Современные материалы: технологии и исследования". Труды СПбГТУ, N463.-Санкт-Петербург, 1996.-С.61-65.

9. Прихожий О.В., Голод В.М. Расчет и анализ распределения потоков в коллекторных литниковых системах.- Материалы научно-технической конференции "Фундаментальные исследования в технических университетах" .-Санкт- Петербург, СПбГТУ, 1997.-С.296-297.

10. Прихожий О.В. и др. Компьютерные технологии обучения на основе систем моделирования: концепция, обеспечение, опыт.-В сб.: «Перспективные CAD/CAM/CAE - технологии в высшей технической школе». Тезисы докладов.-Казань, 1997.-С.53.