КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРУПНОГАБАРИТНОГО ЛИТЬЯ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ ProCAST
© Абдуллин Альберт Данильевич, старший инженер технической поддержки,
Группа компаний «ПЛМ Урал» - «Делкам-Урал». Россия, г. Екатеринбург. E-mail: aad@delcam-ural.ru Статья поступила 01.10.2012 г.
В статье рассматриваются возможности компьютерного моделирования процессов крупногабаритного литья, основные параметры, определяющие длительность моделирования. Приведены решения для уменьшения времени расчета, реализованные в программном обеспечении ProCAST.
Ключевые слова: литье; крупногабаритные отливки; литье в песчаные формы; компьютерное моделирование; ProCAST; параллельные вычисления; кластерные системы.
Проектирование технологии литья - сложный процесс, требующий учета многих факторов, главными из которых являются учет положения отливки в форме, проектирование литниково-пи-тающей системы, возможное наличие технологических уклонов с целью оптимального заполнения формы при заливке и направленной кристаллизации отливки без образования дефектов (усадка, недолив, неспай, засоры, пригар, коробление отливки и пр.). Ошибка технолога на этом этапе может повлечь за собой в дальнейшем дополнительные затраты на изготовление новых модельных комплектов, производство первой тестовой партии отливок, увеличение времени проектирования технологии и выпуска готовой продукции. Особенно это актуально при производстве крупногабаритного литья (корпуса задвижек, редукторов, крестовины, тройники, пробки шарового крана, массивные слитки для кузнечного производства и пр.), так как затраты в этом случае возрастают многократно, а время на исправление дефектов или переплавку продукции удлиняет производственный цикл изготовления изделия.
Проблемы проектирования технологии производства сложных крупногабаритных отливок можно решить с помощью систем компьютерного моделирования, которые в России становятся все более популярны и уже успешно применяются в 5 авиационной, автомобильной, железнодорожной, 7 нефтегазовой и других отраслях. Компьютерное моделирование в специализированных программных продуктах позволяет отработать технологию £ и выбрать оптимальный вариант в виртуальном < пространстве без изготовления пробной партии г отливок. Однако решение задач крупногабарит-
ного литья в программных комплексах связано с определенными трудностями, на которых мы бы хотели остановиться подробнее.
Прежде всего пользователь при моделировании указанных процессов столкнется с тем, что расчетное время задачи существенно увеличивается. И чем больше будут габариты расчетной модели, чем меньше толщина стенки отливки, чем больше время процесса (особенно время заполнения формы), тем больше потребуется времени на моделирование. Это время также может увеличиться при использовании дополнительных расчетных функций, например, моделировании напряженно-деформированного состояния отливки, фазовой структуры, микропористости и др. В целом вместо нескольких часов время моделирования может увеличиться до нескольких дней или даже недель, что зачастую в реальных условиях производственного процесса недопустимо, особенно при необходимости отработки нескольких вариантов технологии.
Программный комплекс ProCAST (разработка ESI Group) предлагает несколько решений данной проблемы. В первую очередь использование метода конечных элементов позволяет гибко адаптировать размер ячейки при построении расчетной сетки для различных частей отливки и элементов формы. Таким образом, обеспечиваются точный расчет для тонких секций отливки с небольшим размером ячейки и экономия времени моделирования за счет увеличения размера сетки в менее важных областях: массивных частях отливки, прибылях, форме, стержнях и пр. Все доступные системы анализа литейных технологий, основанные на методе конечных разностей
и контролируемых объемах, либо не позволяют варьировать размер ячейки при построении сетки, либо адаптация размера происходит не так гибко, как в конечно-элементном методе, а ступенчато во всем расчетном объеме (как правило, от крайней стенки отливки до внешней стенки формы). Пример конечно-элементной сетки для отливки «Крестовина», построенной в новом сеточном генераторе Visual-Mesh, представлен на рис. 1. При построении этой сетки устанавливался разный размер ячейки для различных областей: литниковой системы (14 мм), отливки (20 мм), прибылей (35 мм), формы и стержней (70 мм). Общее число элементов при такой постановке составляет 2,1 млн, тогда как при установке размера 20 мм для всего объема - 8,5 млн. Таким образом, использование адаптивного размера при построении конечно-элементной сетки
позволяет в несколько раз снизить нагрузку при моделировании процесса, уменьшая тем самым время расчета.
Кроме того, для уменьшения времени моделирования в РгоСЛБТ часто применяют специальное граничное условие, получившее название «виртуальная форма». Суть этого параметра заключается в том, что пользователь вместо построения сеточной модели формы задает в специальном меню программы габариты опоки и рассчитывает интенсивность теплоотвода от различных поверхностей отливки в форму. Затем для «виртуальной формы» можно установить соответствующий материал, коэффициент теплопередачи с отливкой и начальную температуру. При такой постановке задачи учитывается взаимное влияние различных частей отливки и литнико-во-питающей системы, определяющее местный
Рис. 1. Конечно-элементная сетка отливки «Крестовина»:
а - общий вид отливки со стержнями, экзотермическими оболочками и холодильниками; б - изменение размера ячейки сетки по сечению модели
Рис. 2. Принцип параллельного вычисления в ProCAST с использованием технологии DMP
а
Рис. 3. Схема разделения расчетных областей при моделировании заполнения формы:
а - неэффективная, без учета фронта движения металла (отображен синим цветом); б - оптимальная с применением динамического разбиения
& 2
Сеть Gigabit Ethernet
Сеть InfiniBand
16
Число используемых процессоров
Рис. 4. График прироста скорости моделирования с использованием кластера
10
9
8
s 7
6
5
л 4
1
0
1
Рис. 5. Заполнение формы сплавом с распределением температуры потока
ProCAST
Рис. 7. Усадочные дефекты по сечению отливки
перегрев в форме и уменьшение скорости охлаждения в этих зонах. Однако в «виртуальной форме» не учитывается охлаждение внешней стенки формы воздухом, а потому данное условие лучше всего использовать при литье в малотеплопроводные формы из ПГС, ХТС, ЖСС и пр. В этом случае потери тепла идут в основном на нагрев формовочной смеси, а охлаждение воздухом не оказывает большого влияния на процесс охлаждения отливки. При использовании граничного условия «виртуальная форма» увеличение скорости моделирования достигается за счет уменьше-
ния элементов в расчетной модели, так как форма и стержни занимают значительный объем.
Также для увеличения скорости моделирования успешно применяются параллельные вычисления на специальных кластерах, расчетных станциях, включающих несколько многоядерных вычислительных узлов (так называемые «мини-кластерные системы») или на обычных персональных компьютерах с современными 4-х-, 6-тиядер-ными процессорами. Для параллельных расчетов ProCAST содержит специальные DMP-решатели (Distributed Memory Processing - обработка с распределенной памятью), которые позволяют распараллеливать задачу для следующих расчетов:
- гидродинамики заполнения формы, в том числе для центробежного литья, тиксолитья, литья по газифицируемым моделям;
- кристаллизации отливки, определения макропористости;
- напряженно-деформированного состояния отливки;
- фазовой структуры отливки;
- теплообмена излучением;
- заполнения стержневых ящиков песчаной смесью при пескодувном процессе;
- моделирования непрерывного и полунепрерывного литья.
Принцип параллельного расчета в ProCAST с использованием архитектуры DMP заключается в следующем (см. рис. 2): расчетная сеточная модель разбивается на несколько областей (доменов), каждая из этих областей назначается конкретному расчетному процессору для последующего вычисления. Это разделение производится автоматически таким образом, чтобы была максимально сбалансирована нагрузка между процессорами, т.е. число узлов в каждом домене должно быть приблизительно одинаковым, а число общих узлов на границах областей - минимальным. При вычислении связь между процессорами происходит автоматически через сеть с применением библиотек MPI (Message-passing Interface - интерфейс передачи данных). Связь между процессорами имеет определяющее значение, так как является «узким местом» в данном процессе, поэтому при использовании кластерных решений рекомендуется использовать высокоскоростные сети, такие как InfiniBand или Myrinet.
Применение технологии DMP позволяет оптимально распараллелить вычисление и значительно снизить время расчета на больших моделях при решении тепловой задачи, теплообмена
излучением и напряжено-деформированного состояния отливки. Однако при расчете гидродинамики это не так эффективно, так как в начале заполнения формы область, заполненная металлом, окажется в одном из доменов сеточной модели (рис. 3, а). Таким образом, один из расчетных процессоров будет принимать участие в моделировании, а другие в это время будут бездействовать до заполнения всех доменов. Для уменьшения влияния этого фактора в ProCAST был применен метод динамического разбиения расчетных областей при параллельном вычислении. Его принцип проиллюстрирован на рис. 3, б. Во время расчета заполнения формы программное обеспечение анализирует движение фронта металла (на рисунке отображен синим цветом) и проводит разбиение расчетных областей по ходу его движения. Во время расчета через определенное время происходит новое разбиение областей для учета изменения объема заполнения формы. Таким образом, на протяжении всего процесса заливки обеспечиваются равномерное разделение расчетных доменов и более эффективное увеличение скорости расчета.
Как показывает практика, применение DMP-решателей на многопроцессорных компьютерах и в кластерных системах позволяет существенно уменьшить время мод
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.