Введение к работе
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, чю 1 настоящее время не существует- полного математического описания процессов, происходящих при движетши 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. 1 Ірименсіше уравнения Бернулли для этого случая является неправомочным, что уже отмечалось рядом современных исследователей (Хасилев В.Я., Мерепков 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 учета 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 шлака, возникновение разрежения и ряда других, которые сопутствуют процессу течения mo алла и определяют вид и количество литейных дефектов. Важным моментом является необходимость уточнения правомерности использования уравнений и коэффициентов классігческой 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, коррекі ировку и принятие технологического решения.
Диссертационная работа проводилась при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований в обласні 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 б технических университетах» (Санкт-Петербург, 1997); научно-методическом семинаре «Перспективные CAD/CAM/CAE-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 целью 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 типа, 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 энтропии 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 нелевой функции и ограничений, обсспсчігвающігх 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;
на основе интеграции решения разнопрофильных задач синтеза и анализа разработано программное обеспечение для автоматизированного проектирования литейной технологии в условиях крупносерийного производства отливок на автоматической линии безопочиой формовки DISAMATIC для АО «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.