автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Компьютерное моделирование высокоскоростных процессов уплотнения литейных форм

Московский Государственный Индустриальный Университет

•• " '! . ■} и 14

- 8 ДП? 1393

На правах рукописи

Шалимова Марина Александровна

СОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПРОЦЕССОВ УПЛОТНЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ

Специальность 05.16.04. - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Московском Государственном Индустриальное Университете

Научный руководитель: доктор технических нау]

профессор Матвеенко И.1

Официальные оппоненты: доктор технических нау]

профессор, Моисеев В.<

кандидат технических нау] профессор Резчиков Е.л

Ведущее предприятие:

АО "НИИЛИТМАШ"

Защита состоится диссертационного Совета Государственном Индустриальном Университете 109280, Москва, ул. Автозаводская, 16.

дп/>еил- 1998 К064.02.02

г.

в

на заседаш Московск< по адрес;

Телефон для справок: 277-91-94

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИУ.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземпляра: заверенные печатью, просим выслать по указанному адресу. Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук

Рябышев А.М.

Ротапринт МГИУ, тир. 100 экз., заказ № 92_

объем 1,0 п.л. Подписано к печати 10.03 1998 г.

Актуальность работы: Основными задачами литейного производства - основной заготовительной базы машиностроения - в настоящее время являются: повышение качества отливок, в пер-зую очередь за счет улучшения чистоты поверхности и снижения трипусков на механическую обработку; уменьшение себестоимости этливок, а также улучшение экологии производства и условий груда.

В современных условиях более семидесяти процентов отли-зок получают литьем в песчано-глинистые формы, поэтому проблема их уплотнения весьма актуальна. Интерес к динамическим способам уплотнения вызывается получаемой равномерной плотностью формы и невысокими энергозатратами.

Одной из важнейших задач при разработке технологии производства отливок является изготовление качественной форм-.!. Условием получения качественной литейной формы .является тес-¡ая взаимосвязь трех параметров технологического процесса: :>ежим машины (т.е., давление прессования или масса и скорость падения ударной колодки), габариты оснастки (размеры >поки и модели) и реологические (деформационные) параметры меси.

Задача определения соответствия формовочной машины габа-мтам оснастки и реологическим параметрам смеси предполагает гзучение законов изменения уплотняющей нагрузки. При высоко--.коростном уплотнении сжимашую нагрузку оказывает ударная ута, возникающая в течение краткого промежутка времени. Поведение ударной силы не описано в теории уплотнения литейных юрм и требует своего изучения. В результате удара падающего :ома смеси в конце прессово-ударного процесса уплотнения и ри встряхивании и образуется высокоплотный поверхностный лой толщиной 5-7 мм на горизонтальны?-: и 3-4 мм на верти-:альных стенках модели. Данный слой имеет близкие к предель-ым значения плотности и твердости. Высокоплотный поверхно-!ткый слой, как показывают эксперименты, обеспечивает полу-:ение отливок с чистой поверхностью и повышенной геометриче-кой точностью. Физика этого важного с технологической точки рения явления до сих пор не была разобрана в существующей итературе по литейному производству.

За короткое время действия ударной нагрузки формовочная месь претерпевает быстрое уплотнение, ио мере которого ее еологические свойства резко изменяются сложным нелинейным бразом. Решение вопроса о соответствии смеси формовочному

процессу требует экспериментального исследования зависимостей реологических характеристик от плотности смеси.

Задача определения режима формовки может быть решена < помощью натурных испытаний и при моделировании процессов уплотнения на ЭВМ.

Экспериментальное изучение уплотнения смесей связано ( большими затратами труда, энергии и материалов. Такого род< вопросы успешно решает проведение вычислительных экспериментов, основанных на создании математической модели процессов происходящих в смесях при их уплотнении, поведение которы исследуется на ЭВМ гораздо быстрее и дешевле соответствующи; лабораторных опытов. Кроме того, компьютерное моделирование позволяет проследить перемещение смеси в ходе ее уплотнена и выбрать оптимальный режим формообразования и расположена моделей в оснастке.

Метод компьютерного моделирования формовочных процессо] должен охватывать все составляющие технологического процесс« и управления качеством формы. Решение этой задачи приводит ] созданию АСУ ТП формообразования и смесеприготовления. Эт< возможно только при решении соответствующей математическое модели на ЭВМ с применением современных численных методов.

Высказанные обстоятельства подтверждают актуальность избранной темы, ее значимость для теории и практики литейногс производства.

Цель работы

Целью настоящей диссертационной работы является повышение качества литых заготовок, получаемых в сырых песчаньс формах, с помощью компьютерного моделирования высокоскоростных процессов уплотнения.

Основные задачи исследования

1. Построение математической модели и разработка алгоритма компьютерного расчета плотности литейных форм, изготавливаемых в опоках с моделью при уплотнении ударной нагрузкой формовочных смесей с нелинейно изменяющимися реологическими характеристиками.

2. Разработка методики экспериментального изучения поведения реологических характеристик формовочной смеси при уплотнении и проведение экспериментальных исследований.

3. Разработка механизма образования и метода расчет; толщины высокоплотного поверхностного слоя литейной формы.

Методы исследования

В работе использован метод конечных элементов исследования напряженно-деформированного состояния литейной формы при нелинейном нестационарном способе ее уплотнения. Применены новые методы экспериментального определения параметров уплотняемой формовочной смеси.

Научная новизна работы

1. Разработана методика компьютерного моделирования нелинейного нестационарного процесса уплотнения формовочной смеси в опоках с моделью при ударном, а также комбинированном нагружении.

2. Разработана методика экспериментальных исследований законов изменения реологических параметров формовочной смеси ори уплотнении, характеризующих ее объемно нагруженное состояние (продольного модуля деформирования Е и коэффициента поперечной деформации V).

3. Предложен механизм образования и метод расчета толщины высокоплотного поверхностного слоя литейных форм, а также способ его экспериментального обнаружения.

Практическая ценность работы

1. Разработан пакет прикладных программ на языке ПАСКАЛЬ расчета на ЭВМ поля плотности формовочной смеси с нелинейно вменяющимися свойствами при высокоскоростном и комбинированном уплотнении в сечении опоки с моделью.

2. Предложены способы управления процессом образования зысокоплотного поверхностного слоя.

3. Получены числовые значения реологических характеристик высокопрочной формовочной смеси в процессе ее уплотне--гия.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены ъа. научных семинарах кафедры "Автоматизированное литейное производство" МШУ в 1994 - 1997 гг; часть результатов потужила материалом для дипломных работ инженера-программиста 1 инженера-исследователя по специальности 2204 (программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных си~ ;тем), защищенных автором в 1994 и 1996 гг. в МПИУ.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 статьи.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введе-П1я, 5 глав и общих выводов. Содержит 100 страниц машинопис-юго текста, 24 рисунка, таблицу и список литературы из 75 ¡аименований.

ОСНОВНСЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и научная задача исследования, приведены научные положения и основные результаты работы, достигнутые в ходе исследования.

в первой главе проведен анализ литературных данных, характеризующих особенности уплотнения литейных форм высокоскоростными и комбинированными методами, основные положения теории удара в приложении к формовочным процессам, существует»« подходы к численному решению задач динамического уплотнения форм и математических моделей состояния формовочных смесей, основанных на экспериментальных исследованиях, а также вопросы образования высокогоютного поверхностного слоя литейных форм, уплотняемых динамическими способами.

При динамическом уплотнении формовочная смесь совершает колебательные движения, при этом все ее реологические параметры значительно изменяются во времени, наибольшее влияние на процесс уплотнения оказывает ударная нагрузка, а также сила трения на границе смеси с оснасткой, влиянием внутрипо-рового воздуха при наличии вент в оснастке допустимо пренебречь .

Закон изменения реологических характеристик формовочной смеси, связывающий все компоненты напряжений со всеми компонентами деформаций в двумерном случае в настоящее время изучен недостаточно.

Наиболее наглядным и математически строгим методом исследования изменения плотности формовочной смеси при ее динамическом уплотнении в опоках с моделью является метод конечных элементов в постановке нелинейных нестационарных задач.

Однако в имегоцемся в настоящее время программном обеспечении отсутствуют разработки, которые давали бы возможность исследовать динамические процессы уплотнения формовочной смеси с учетом изменяющихся во времени уплотняющей нагрузки и реологических свойств смеси.

При уплотнении смеси встряхиванием и прессово-ударным методом со стороны лада формы образуется высокогшотный поверхностный слой. Данное явление совершенно не изучено в теории уплотнения литейных форм и связано с действием ударных сил, исследование которых на наиболее точных моделях с распределенными параметрами весьма осложнено ввиду возрастания производной сЗст/сЗб при уплотнении формовочной смеси.

В соответствии с намеченной во введении целью работы и на основе проведенного анализа литературы сформулированы следующие задачи исследования:

1. Разработать алгоритм решения задачи о нахождении распределения поля плотности формовочной смеси, уплотняемой ударными нагрузками в опоке с моделью, с использованием метода конечных элементов в нелинейной динамической постановке, учитывавший изменение параметров смеси и нагрузки.

2. Разработать методику экспериментального исследования закономерностей изменения реологических параметров формовочной смеси: продольного модуля деформирования Е и коэффициента поперечной деформации v.

3. Исследовать механизм образования и разработать метод расчета толщины высокоплотного поверхностного слоя.

Вторая глава посвящена исследованию процесса поверхностного упрочнения песчаных форм.

Эффект поверхностного упрочнения наблюдается в таких процессах динамического уплотнения смесей, как встряхивание, встряхивание с подпрессовкой и прессово-ударный метод, и состоит в образовании слоя смеси толщиной 3-7 мм с повышенной плотностью (1780-1800 кг/м3) на поверхности лада формы.

На основе положений локальной теории контактного сжатия твердых тел при ударе предложен механизм образования высокоплотного слоя сжимаемой сыпучей среда на поверхности, граничащей с ударной нагрузкой. На основе разработанного механизма предложен метод определения толщины поверхностного слоя исходя из значений плотности лада формы до и после удара в соответствии, с общепринятыми рекомендациями привлечения данных натурных испытаний при исследовании особенностей ударных явлений.

Ком формовочной смеси, предварительно уплотненный ходом нижнего прессования при прессово-ударном методе, или серией предшествующих ударов при встряхивании, можно рассматривать как твердое тело, получамцее полностью неупругое, т.е. пластическое соударение с преградой. В соответствии с локальной теорией сжатия Герца, уравнение смещения центра инерции за счет образования местной деформации h:

= -Pit), (И

a "t

где m- масса движущегося объекта, P(t)- контактная сила удара.

Выражение для контактной силы удара (из решения дифференциального уравнения (1)):

Р{1) - ХйОъС м (§ I) {2)

Наибольшая пластическая деформация = % (3)

(Здесь везде V,; - скорость движения кома смеси в момент удара, С - жесткость кома смеси).

В работе принято, что вся формовочная смесь, вытесненная пластической деформацией на границе с оснасткой, перешла е соседний вышележащий слой и образовала его переуплотнение. Тогда, пользуясь известным законом связи значения плотности смеси до и после уплотнения в опоке с величиной пластической деформации йпах» легко определить искомую толшцну поверхностного слоя Н:

Н =

Ьжал Ро

Т^То

где р и ро - плотность слоя до и после удара.

Значение толщины высокоплотного поверхностного слоя формовочной смеси, рассчитанное по уравнению (4), соответствует известным из литературы экспериментальным данным.

Рассмотрены вопросы рационального получения высокоплотного поверхностного слоя с точки зрения расходуемой энергии и режима уплотнения. Способ расчета толщины поверхностного слоя позволяет управлять процессом упрочнения лада форм. Показана нецелесообразность применения повторных ударов и увеличение массы ударных колодок для влияния на этот процесс. Способ повышения плотности поверхностного слоя за счет скорости является более технологичным для прессово-ударного метода уплотнения. Для увеличения эффективности ударного уплотнения с точки зрения подводимой кинетической энергии следует использовать лех^кие ударные колодки.

Предложен способ фактического обнаружения высокоплотного поверхностного слоя по отклонению экспериментальной кривой распределения плотности смеси по высоте кома при ' от ее теоретического вида.

В третьей главе рассматриваются вопросы построения методики нахождения распределения поля плотностей формовочной смеси, уплотняемой высокоскоростными (ударными) способами на

основе метода конечных элементов с учетом изменения нелинейных параметров уплотняемой смеси и прикладываемых нагрузок.

Математическая модель процесса уплотнения формовочной смеси в случае двумерной исследуемой области содержит следующие уравнения

Уравнения движения:

о;

(5)

о;

где и и V - перемещения по координатным осям, о,, а,., и т. , - компоненты тензора напряжений, р - плотность смеси, ¡а -вязкость смеси, приходящаяся на единицу площади исследуемого сечения литейной формы.

В граничные условия к уравнениям движения входят ограничения на перемещения частиц смеси на границе с оснасткой, действие ударной и прессующей нагрузок, а также силы внешнего трения, учитывающей влияние высоких скоростей нагружения.

Уравнения совместности деформаций:

В2 Уху = дЧх ^ ^ (б)

ЭхЗ^ Эу* Эх2

1\це &, , &,. и у^ - компоненты тензора деформаций.

Уравнения состояния представлены уравнениями Генки:

Вх - % ( 5х ~ бгп) + 7С*б"« ; • • •

7ху = 2 ?С Хху ) ...

где

X - величина, обратная модулю пластичности, %= Тс /2ТГ^ X* - величина, обратная модулю жесткости, <&я/6"т,

у* - интенсивность касательных напряжений, Т1 - интенсивность деформаций сдвига,

и - объемные деформация и напряжение.

Эх эу I З'Ь2 ^ дЬ дЬу , ЭТху £у ,, эУ _

э? ах'/ дь2 ~ м "

При рассмотрении плоской задачи уравнения Генки преобразованы к виду плоско напряженного состояния:

где Е (Ей) и V (&.) - переменные продольный модуль деформирования и коэффициент поперечной деформации смет.

В работе рассмотрены также уравнения плоско деформированного состояния, отличающиеся от уравнений (8) коэффициентами при ак и сту . Проведенные в четвертой главе эксперименты показали, что коэффициенты Е и V в соотношениях (8) являются переменными величинами, нелинейно зависящими от достигнутой плотности формовочной смеси. Из экспериментальных исследований сделан вывод о том, что при использовании переменных величин Е и V в расчетах формовочных процессов необходимо учитывать их зависимость от достигнутой смесью плотности, при условии того, что в недеформированном состоянии плотность смеси равна структурной, явление которой описано в главе экспериментальных исследований.

Геометрическая нелинейность процесса уплотнения при больших перемещениях смеси учитывается следующими кинематическими соотношениями:

В качестве численного метода решения задачи высокоскоростного уплотнения формовочной смеси применен метод конечных элементов (МКЭ), позволяющий решать динамические задачи с учетом нелинейного изменения характеристик среды и прикладываемой нагрузки и в случае больших перемещений.

£к = [ бх - / Е (£т) ;

£у = [ - 1)(£т)&]/ Е (¿т) \ Хс«= 2 [-1 + ¡)(и)2х*у ! ЕМ',

(8)

(9)

Представленная математическая модель обычным для МКЭ образом преобразована в матричное волновое уравнение движения:

где {6}- глобальный вектор перемещения узлов сетки конечных элементов, на которые разбито исследуемое сечение опоки с моделью; [К] - глобальная матрица жесткости, в построении которой участвуют кинематические соотношения и уравнения состояния; [С] - глобальная матрица демпфирования, зависящая от вязкости среды; [М] - глобальная матрица масс, зависящая от плотности среды; {11} - глобальный вектор нагрузки, зависящий от способа формовки (прессование, ВСП, прессово-ударнкй и др.) и свойств модельно-опочной оснастки.

Таким образом, в уравнении (10) глобальные матрицы [К], [С] и [М] зависят от свойств смеси и геометрии разбитого на конечные элементы сечения литейной формы, а вектор {К} отвечает за действующую в этом сечении нагрузку в зависимости от вида процесса уллотненния.

В работе использовалась наиболее простая для описания геометрических характеристик треугольная сетка. При разбиении сечения опоки с моделью учитывалось, что наилучшую сходимость и геометрическую изотропию дает сетка равносторонних треугольников. Подробно рассмотрены соотношения для треугольного элемента, включающие все локальные матрицы, используемые в МКЭ.

В работе использованы два итерационных метода для решения матричного уравнения движения (10) . В первом из них рассматривалось конечно-разностное решение с использованием центральной разностной схемы. Производные вектора перемещений {5} были заменены их разностными аналогами на временном

шаге:

2АЬ

где 1 - номер, а ^ - величина шага по времени.

-ГО

В соответствии с этим образована система линейных алгебраических уравнений относительно {б}"1"*'' :

¿ъ м ({¿Г - ш";

(12)

СК]{Й1

+

+

£ а12

[м](Шы-2{МЧ-{иУ - О

В работе также велись расчеты с использованием конечны* элементов, определенных уже не в пространственной, а во временной области. При этом для интерполяции значений вектора перемещений {5} в пределах 1-го временного интервала использованы кубические полиномы Эрмита и рекуррентные соотношения на их основе вида:

41

А

21

\г

Щ" Ш")

I

41

Ьг

{»1

Г С 1

ЭЙ

н> -

7 5

с2

(13)

где {б}1 и {б}1''

значения вектора перемещений на 1-&

и (1-1)-м шаге вычислений, Агв , Вг:

Сг - матричные коэффи-

циенты, составленные по особому правилу из матриц [К], [С], [М] и {К}.

Даны рекомендации по выбору размера временного шага.

Решением уравнений (12) и (13) является вектор перемещений узлов конечно-элементного представления рассматриваемого сечения литейной формы. Затем по нему найдены деформации и плотность смеси в элементах. Плотность смеси в элементе на д.-м временном шаге р1 вычислялась по формуле:

/

(14)

где * - плотность смеси в элементе на предыдущем таге. Вычисленные перемещения узлов и плотности элементов использовались в качестве начальных значений для следующего шага. По найденной на текущем шаге плотности смеси в элементе вычислялись коэффициенты Е и V уравнения состояния для следующего периода времени по экспериментально определенным зависимостям.

и

Таким образом, разработанная на основе МКЗ методика расчета плотности формовотшой смеси позволяет учесть нелинейны'! рост ее реологических характеристик и уплотняющей ударной нагрузки при высокоскоростных формовочных процессах с большими пластическими деформациями в опоках с моделью. Методика учитывает также смену этапов ударного уплотнения и прессования при высокоскоростных методах. В последовательном рас-смотре1Н4и этих этапов уплотнения учитывается преемственность, состоящая в том, что для каждого последующего этапа начальная плотность имеет значение, достигнутое в итоге предыдущего этапа.

Предложенная математическая модель не рассматривает возникновение разуплотнений и трещин в литейной форме при формовке ударными нагрузками.

На основе предложенной методики построен алгоритм численного расчета высокоскоростных процессов уплотнения формовочной смеси, разработан пакет прикладных программ и проведены Компьютерре расчеты.

В четвертой главе приведены стенды и методики экспериментального определения поля плотности в сечении формы при различных способах приложения ударной нагрузки (ВСП-процесс и пресссво-ударный метод), нахождения переменных коэффициента поперечной деформации V и продольного модуля деформирования Е.

Серия экспериментов по определению плотности в различных частях формы, уплотняемой высокоскоростными способами, проводилась на стенде ВСП-комби, позволяющем моделировать как прессово-ударный, так и высокоскоростной методы уплотнения. Для нахождения распределения плотности смеси по сечению формы для всех случаев уплотнения использовался отбор образцов смеси диаметра 40 и высотой 20 мм из различных точек формы шприцеобразным пробоотборником. Результаты экспериментов согласуются с известными из литературы данными, а их соответствие результатам компьютерных расчетов обсуждается в пятой главе.

Для компьютерных расчетов формовочных процессов требуются диаграммы Е (ё^.) и V . Наиболее точно экспериментальные значения этих зависимостей устанавливаются в условиях одноосного сжатия в объеме с боковыми стенками (компрессии).

Соотношения между напряжениями и деформациями в процессе ударного нагруженная любого материала сильно зависят от скорости приложения нагрузки и не являются поэтому его соб-

1,г

ственными характеристиками. Для исследования реологически: характеристик Е и V проведены испытания при уплотнении смеа ступенчато увеличивающейся прессующей нагрузкой.

Для указанной цели разработан стенд - технологическая проба, позволявздий ступенчато увеличивать нормальную нагрузку а! на испытываемый образец формовочной смеси и измерят получающееся при этом боковое напряжение а3. Также на казда шаге нагружения измеряется изменение высоты кома смеси, п< которой вычисляется относительная деформация сжатия Е1 \ плотность формовочной смеси р.

Найденные значения Ох , с?з , ех и р дают возможное® вычислить значения ЕЮ и у(Ею) на каждом шаге нагружения и, в пределе, во всем диапазоне деформаций и плотностей смеа при формовке.

Значение коэффициента поперечной деформации V1 на 1-1 шаге нагружения: • .

У = -(15)

где о -

/ С - коэффициент бокового давления.

В уравнения плосконапряженного и плоскодеформированнон состояния входит величина Е - продольный модуль деформирования формовочной смеси при ее одноосном, сжатии. Описываемы« эксперименты проведены в условиях одноосного сжатия без возможности бокового расширения (компрессии), поэтому в рассмотрение введен модуль компрессионного сжатия Е. к ~ ^ /£/

Продольный модуль деформирования Е в данном случае выражается через коэффициент поперечной деформации V и модул! компрессионного сжатия Е* и определяется зависимостью:

В1-=£>-2^)

Описанные в литературе экспериментальные значения продольного модуля деформирования Е, полученные разными авторами, несопоставимы, поскольку рассматриваются в зависимоста от относительной деформации опытных образцов, связанной с и: начальной плотностью. Поэтому в работе предложены рекомендации к использованию полученных реологических зависимостей от плотности опытных образцов, а не от их относительной деформации. При этом необходимо соблюдать следующие правиле проведения реологических испытаний: а) в исследуемом образц* формовочной смеси с насыпной плотностью перед началом испы-

таний следует достичь значения структурной плотности путем приложения давления около 0,01 МПа; б) при вычислении Еи , v и Е принять, что нулевой относительной деформации соответствует плотность, равная структурной. Полученные таким образом диаграммы реологических характеристик не зависят от начальной плотности опытных образцов формовочной смеси и однозначно отвечают всему диапазону плотностей при изготовлении литейных форм. Это открывает возможность широкого научного применения полученных результатов, в частности, при итерационных численных расчетах в компьютерном моделировании формовочных процессов, без чего такое компьютерное моделирование вообще невозможно.

Пятая глава посвящена использованию разработанного на основе метода компьютерного моделирования динамических процессов уплотнения литейных форм пакета прикладных программ на языке ПАСКАЛЬ, реализованного на IBM Pent.166. Пакет программ дает возможность, задав геометрические характеристики и конечно - элементную дискретизацию сечения опоки с моделью и характеристики уплотняемой смеси, включающие начальную плотность и зависимости модулей деформирования компрессионного сжатия и коэффициента поперечной деформации от плотности, а также параметры процесса формовки (способ уплотнения, скорость удара и массу подвижных частей, давление подпрес-совки) получать поле плотности в сечении формы в различные моменты времени уплотнения.

В работе приведены примеры конечно-элементных разбиений сечений литейных форм, начальные и граничные условия для высокоскоростного и прессово-ударного формовочных процессов.

Вычислительный эксперимент проведен для смеси постоянного состава, реологические характеристики которой были определены в условиях натурного эксперимента.

При выбранном виде разбиения на конечные элементы в исходных данных для проведения вычислительного эксперимента варьировалась сила удара подвижных частей в процессе уплотнения формовочной смеси. Давление нижнего прессования на первом этапе прессово-ударного уплотнения, а также давление верхнего поршня при подпрессовке форм по окончании ударного уплотнения принималось постоянным и составляло 0,5 МПа.

В ходе моделирования было выявлено, что процесс уплотнения формовочной смеси при её ударном нагружении носит послойный характер, поскольку перемещение узлов происходит

преимущественно в вертикальном направлении, а перемещение узлов, лежащих на одной высоте, практически одинаково.

При уплотнении смеси ВСП - процессом наблюдается переуплотнение верхних слоев смеси, лежащих под ударной колодкой, а в обшасти контакта смеси с моделью и модельной плитой наблюдается падение плотности, что объясняется влиянием внешнего трения. Сила трения на вертикальных стенках опоки также препятствует процессу уплотнения смеси в данной области в случае приложения ударной нагрузки к контрладу формы.

Напротив, при формовке с помощью прессово-ударного метода, когда ком смеси сам движется и уплотняется при ударе об оснастку, на вертикальных границах смеси со стенками опоки плотность смеси выше, чем в соседних элементах. При нижнем расположении контактной лиши удара переуплотняются именно нижние, поверхностные слои формы. Это согласуется с предположениями локальной теории ударного контакта. Плотность верхних слоев, находящихся под ударной колодкой, также выше, чем в средней части формы, что соответствует действию прессующей нагрузки от верхнего поршня, которая начинает действовать после удара.

Разработанный метод компьютерного моделирования показал адекватность реальным высокоскоростным формовочным, процессам как качественную (послойное перемещение смеси при динамическом уплотнении, повышенная плотность в зонах приложения ударной и статической нагрузок), так и количественную (расхождение результатов натурных и вычислительных экспериментов не превышает 10 %)

При вычислительных экспериментах сделаны наблюдения о преобладающем влиянии на формовочный процесс роста реологических характеристик смеси при высоких плотностях, скорости подвижных частей в момент удара и зависящей от него силы арения. Изменение силы удара при выбранной скорости путем массы и жесткости, участвующих при ее вычислении, не оказывает заметного влияния на процесс уплотнения. Также не сказывается на результатах различие матрицы свойств [В] при плоско напряженном и плоско деформированием состояниях.

Предложены возможности расширения области применения разработанного метода моделирования уплотнения литейных форм для исследования различных формовочных процессов (прессование, встряхивание, высокоскоростное и импульсное уплотнение) и их комбинаций для изготовления обычных литейных форм, а

также комбинированных (поверхностный слой которых выполнен из облицовочной смеси).

Общие выводы по работе:

1. Построена математическая модель высокоскоростных процессов уплотнения формовочных смесей в опоках с моделью: а) ударом колодки по смеси, б) предварительным прессованием с последующим ударом кома по оснастке.

Основным отличием предложенной модели является учет нелинейного изменения реологических характеристик смеси по экспериментально полученным зависимостям, а также силы удара и силы внешнего трения.

2. По математической модели построена методика численного расчета плотности формовочной смеси на основе МКЗ в постановке нелинейных нестационарных задач. По предложение"! методике численного расчета разработан алгоритм компьютерного нахождения поля плотности формовочной смеси в опоке с моделью, уплотняемой высокоскоростными и комбинированными методами .

3. Разработана методика экспериментального определения реологических характеристик (коэффициента поперечной деформации V и продольного модуля деформирования Е) формовочных смесех^ любого состава, достоинством которой является независимость полученных результатов от начальной плотности испытываемой формовочной смеси.

4. Результаты проведения вычислительных экспериментов по компьютерной визуализации картин динамического уплотнения литейных форм показали качественную и количественную адекватность разработанного метода компьютерного моделирования троцессов уплотнения реальным условиям изготовления литейных ]юрм.

5. Установлено, что для данной формовочной смеси на про-десс уплотнения наибольшее влияние оказывают скорость подвижных частей в момент удара и сила трения на границах теги с оснасткой; увеличение же силы удара путем повышения лассы колодки несущественно сказывается на процессе уплотнения.

6. Предложен механизм поверхностного упрочнения литейных ¡юрм при ударном уплотнении падающего кома смеси, подтверждаемый сходством расчетных и эмпирических результатов. На зснове предложенной модели упрочнения исследованы способы /правления образованием высокоплотного поверхностного слоя. Токазана целесообразность увеличения скорости движущегося такета смеси для получения выраженного поверхностного слоя; трименение повторных ударов и увеличение массы подвижных

частей механизма для влияния на этот процесс признано неэффективным.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

Матвеенко И.В., Шалимова М.А. Управление процессом образования поверхностного упрочненного слоя песчаных форм. //Литейное Производство, №12 1997, с. 9-10

Матвеенко И.В., Шалимова М.А. Компьютерное моделирование процессов уплотнения песчаных литейных форм. // Сборник научных трудов МШУ, 1997, с. 87-90

Шалимова М.А. Компьютерное нахождение поля плотностей формовочной смеси. // Литейное Производство, № 2 1997, с. 27