Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Предотвращение усадочных дефектов на основе численного моделирования процессов затвердевания и усадки в отливках из чугуна с шаровидным графитом Зуев, Максим Владимирович

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Зуев, Максим Владимирович. Предотвращение усадочных дефектов на основе численного моделирования процессов затвердевания и усадки в отливках из чугуна с шаровидным графитом : автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.16.04 / Санкт-Петербургский гос. техн. ун-т.- Санкт-Петербург, 1997.- 22 с.: ил. РГБ ОД, 9 98-4/2851-1

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Определяющее влияние усадочных пустот на эксплуатационные и механические свойства чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ), постоянно расширяющаяся номенклатура деталей, изготовляемых из высокопрочного чугуна, и сложность решения задачи питания чугунных отливок обуславливают актуальность и широкие масштабы исследований," выполняемых -во всем мире по изучению усадочных процессов при затвердевании отливок из ЧШГ.

Проведенный анализ публикаций свидетельствует, что в настоящее время не существует полной математической теории усадочных процессов, происходящих при затвердевании ЧЇЇІГ. Однако, обобщение экспериментальных и теоретических исследований Ш'.Гиршовича, Г.Ф.Баландина, И.Г. Неижко, Л.С. Васина, А.А. Гетьмана, АД. Трухова, Р.В. Хейне (R.W. Heine) и др., а также научные разработки кафедры в области моделирования процессов кристаллизации чугуна создают основу для построения развитой численной модели.

Количественный прогноз образования усадочных пустот позволяет обеспечить качество отливок и снизить затраты на разработку и корректировку технологического процесса.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. На основе обобщения теоретических и экспериментальных исследований усадочных процессов при охлаждении и затвердевании чугуна с активным использованием компьютерной технологии разработать численную модель сопряженных процессов затвердевания, кристаллизации, предусадочного расширения и образования усадочных пустот в фасонных отливках из чугуна для количественного прогноза образования усадочных дефектов и структуры при создании и корректировке технологии изготовления отливки. Для этого решались следующие задачи:

создание математической модели затвердевания фасонной отливки (в макромасштабе) на основе решения кристаллизационной задачи конкурентного зарождения и роста стабильных и метастабильных фаз (в микромасштабе) с учетом неравномерного температурного поля отливки и формы;

создание математической модели изменения удельного объема фаз в зависимости от состава, температуры и характера кристаллизации чугуна (стабильная/метастабильная кристаллизация) на основе обобщения опубликованных результатов экспериментальных и теоретических исследований;

разработка математической модели предусадочного расширения отливки (в макромасштабе) за счет увеличения объема при выделении ірафита в твердом скелете сплава (в микромасштабе) с учетом морфологических особенностей кристаллизации ЧШГ, механического взаимодействия затвердевающей отливки и литейной формы, конфигурации отливки, реологических параметров формы, зависимости механических свойств сплава от количества твердой фазы/температуры;

создание математической модели питания отливки и образования усадочных макро- и микропустот с учетом условий фильтрационного питания и предусадочного расширения;

разработка и внедрение программного комплекса моделирования затвердевания и количественного прогноза образования усадочных пустот в фасонных отливках.

НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В рамках разработанной модели описывается процесс затвердевания и образования усадочных пустот на основе решения задачи стадийной кристаллизации многокомпонентного сплава эвтектического типа, что позволяет использовать полученную модель для анализа усадочных процессов и структурообразования чугунов различного состава при затвердевании фасонной отливки.

Разработанная модель затвердевания и образования усадочных дефектов в отливках из ЧШГ учитывает важнейшие металлургические и технологические факторы формирования отливки:

1. Факторы, являющиеся определяющими при решении кристаллизационной
задачи:

параметры диаграммы состояния Fe-C и их зависимость от содержания основных элементов чугуна;

последовательное протекание предэвтектической и эвтектической кристаллизации, соотношение стабильных (графит, аустенитно-графитная эвтектика) и метастабильных (цементит, ледебурит) фаз, выделяющихся на различных стадиях кристаллизации;

условия самопроизвольного и вынужденного зарождения и роста морфологически различных выделений стабильных и метастабильных фаз при кристаллизации ЧШГ.

  1. Кинетику и продолжительность затвердевания фасонной отливки при неоднородном теплоотводе по поверхности раздела отливка-форма с учетом температурного поля формы и зависимости величины скрытой теплоты затвердевания от характера кристаллизации чугуна.

  2. Влияние технологических элементов (прибыли, холодильники, литниковая система и др.), их геометрических и теплофизических характеристик на процесс затвердевания фасонной отливки.

  3. Изменения удельного объема (плотности) чугуна в зависимости от температуры, состава и характера кристаллизации.

  4. Увеличение объема непрерывного скелета твердой фазы чугуна за счет выделения в нем шаровидного графита.

  5. Влияние предусадочного расширения и механического взаимодействия отливки с формой с учетом реологических характеристик формовочных материалов, температурной зависимости механических свойств сплава на процесс образования макро- и микропустот усадочного характера.

  6. Фильтрационное течение расплава за счет компенсации усадки сплава в зоне локальных перемещений жидкой фазы с учетом металлостатического напора в

зоне макроскопических перемещений и давления газа над расплавом, зависимости проницаемости сетки растущих кристаллов и капиллярного давления от объемного количества твердой фазы.

8. Формирование в отлігвке нескольких концентрированных усадочных ракосші
в связи с локализацией зон макроскопических перемещений металла в период
затвердевания. ~_ .

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В результате проведения работы:

разработано программное обеспечение для численного моделирования процессов затвердевания и образования усадочных дефектов в фасонных отливках из чугуна, осуществляющее количественный анализ процесса затвердевания отливки, прогноз объема и распределения усадочных дефектов, степени графишзации при первичной кристаллизации чугуна с целью изыскания условий предотвращения брака отливок по усадочным пустотам,

на основе корректировки разработанных численных моделей создан программный модуль для численною моделирования затвердевания и образования усадочных пустот в фасонных отливок из стали и цветных сплавов;

разработаны программные средства построения двух- и трехмерных конечно-разностных геометрических моделей для решения задачи затвердевания и образования усадочных дефектов, а также рекомендации, позволяющие с учетом специфики литейных процессов и применяемых численных методов, повысить точность решения при значительной экономии вычислительных ресурсов;

Созданное программное обеспечение, внедренное на ряде российских предприятий, эксплуатируется на ТВМ-совместимых ПЭВМ, оснащено дружественным пользовательским интерфейсом с представлением результатов в наглядной форме в виде двух- и/или ірехмерного изображения и ориентировано на применение технологами-литейщиками или инженерами-исследователями. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

Математическая модель затвердевания и структурообразования фасонной отливки из чугуна с учетом неоднородней первичной структуры на основе свертки решения задачи кристаллизации чугуна, описывающей конкурентное зарождение и рост стабильных и мстастабильных фаз в микрообъеме сплава.

Математическая модель увеличения объема непрерывного скелета твердой фазы вследствие выделения фаз с большим удельным объемом (графита).

Математическая модель предусадочного расширения отливки и механического взаимодействия с литейной формой.

Математическая модель фильтрационного питаній отливки и образования макро- и микропустот.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. По материалам диссертации сделан научный доклад на всероссийском молодежном научном форуме «Интеллектуальный потенциал России - в XXI век, а также опубликовано 9 статей.

Диссертационная работа проводилась при финансовой поддержке

Программы фундаментальных исследований в области машиностроения по

разделу «Литейное производство» (код 55.15) за 1996-1997г.г.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из