РЕШЕНИЕ СКВОЗНЫХ ЗАДАЧ ПРОЦЕССОВ ЛИТЬЯ И ОМД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ProCAST, QForm
© Абдуллин Альберт Данильевич, е-mail: aad@delcam-ural.ru; Ершов Александр Алексеевич, е-mail: eaa@delcam-ural.ru Группа компаний «ПЛМ Урал» - «Делкам-Урал». Россия, г. Екатеринбург Статья поступила 08.05.2014 г.
Приведен пример сквозного моделирования процессов литья стального слитка в изложницы и последующей кузнечной протяжки полученной заготовки с применением программных продуктов ProCAST (ESIGroup, Франция) и QForm (QuantorForm, Россия). Рассмотрены постановка и решение задач с передачей данных о тепловом поле и усадочных дефектах в заготовке с учетом их влияния на процесс ОМД.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, литье в изложницы, ОМД, кузнечная протяжка, междисциплинарный расчет, усадочная пористость.
Все большее развитие в мире получают специализированные САЕ-программы для численного моделирования технологических операций изготовления изделий (литье, сварка, термообработка, штамповка и пр.). Применение подобного программного обеспечения дает очевидную выгоду для предприятия: снижение времени проектирования и выпуска готовой продукции более высокого качества благодаря отработке нескольких вариантов технологии в виртуальном пространстве, экономию затрат на отработку технологии, значительное снижение числа пробных партий продукции или полное их исключение. Кроме того, компьютерное моделирование дает более полное представление о процессах, происходящих при получении и обработке изделия, что способствует повышению квалификации инже-
Рис. 1. 3D геометрия слитка с оснасткой и готовая конечно-элементная сетка в сечении модели
неров-технологов. Учитывая современную ситуацию на рынке труда и острую нехватку квалифицированных кадров, это также весомый довод в пользу внедрения расчетных программ.
Следующим логичным шагом развития подобных систем является создание интегрированных комплексов или возможности совместного моделирования в отдельных программах, позволяющих решать междисциплинарные задачи. Такой подход позволяет проводить комплексные расчеты, учитывать несколько операций обработки изделия в технологической цепочке производства, а также наследственность дефектов и остаточных напряжений, полученных на каждом шаге, их влияние на готовый продукт и его эксплуатационные характеристики. Подобную идею уже более 10 лет развивает компания Е8Югоир, предоставляя своим пользователям программное обеспечение для численного моделирования процессов производства изделий, их поведения в ходе эксплуатации и испытаний в различных условиях.
вей Ше, X т 1 в К & >* I
Selected:! X = 1169.63 ' Т.
^......I I — I
О.
>
Рис. 2. Зависимость плотности сплава 20Л от температуры § заливки (по расчетным данным) Ь
ESIGroup активно сотрудничает с другими разработчиками программного обеспечения, например с российской компанией Quantor Form -создателем программного комплекса QForm для моделирования, анализа и оптимизации процессов обработки металлом давлением [1]. Результатом такого сотрудничества стали разработка и внедрение инструментов интеграции продуктов ProCAST и QForm, что позволит проводить сквозное моделирование процессов литья заготовок и их последующей штамповки, ковки, учитывая наследственность литейных дефектов (усадочная пористость, остаточные напряжения) в конечном изделии. Рассмотрим пример совместного моделирования литья слитка в изложницы и его последующей ковки с использованием программных продуктов ProCAST и QForm.
Программное обеспечение ProCAST (ESIGroup) предназначено для моделирования литейных процессов в широком диапазоне, в том числе и литья стальных слитков в изложницы. С помощью ProCAST можно проследить полный процесс заливки формы, охлаждение и кристаллизацию сплава, образование дефектов заполнения, усадочных дефектов, рост остаточных напряжений, коробление отливки и др. Все этапы подготовки задачи - импорт геометрии, построение конечно-элементной сетки, задание технологических параметров процесса, анализ полученных результатов - проводятся в современной программной оболочке VisualCAST.
В качестве примера моделирования литья заготовки в ProCAST был использован слиток массой более 300 кг (с прибыльной частью). Слиток изготавливается из углеродистой стали 20Л, заливка стали проходит в заранее разогретую
чугунную изложницу сифонным способом. Для поддержания высокой температуры в прибыльной части слитка используются экзотермические оболочки внутри изложницы и крышки из теплоизоляционного материала. На рис. 1 изображены модель слитка и всей сопутствующей оснастки, а также подготовленная расчетная сетка.
Построение 3D модели геометрии может осуществляться в любой современной системе CAD, в нашем случае использована Siemens NX 9.0. Импорт подготовленной модели в VisualCAST [2] осуществляется через промежуточные форматы Iges, Parasolid, Step, а также возможен прямой импорт файлов из систем NX, Catia и ProEngineer. После импорта модели в VisualMESH (один из подмодулей VisualCAST для подготовки расчетной сетки) необходимо проверить геометрию на наличие локальных ошибок, выполнить сборку элементов (определение границ контактов и объединение смежных поверхностей различных тел), построить 2D сетку для внешних поверхностей геометрии, проверить полученную сетку на наличие локальных ошибок и построить объемную конечно-элементную сетку. На каждом этапе проверки геометрии или сетки можно воспользоваться функцией автоматического определения ошибок и их исправления. В программе также присутствует большое число инструментов ручной корректировки. При построении сетки были заданы различные зоны геометрии с вариативным размером ячейки (см. рис. 1), меньший размер сетки выбран для зон, требующих точных результатов (входной литник и слиток), больший размер - в зонах, где не важна высокая точность (прибыль и оснастка), благодаря чему можно будет сократить время моделирования.
Рис. 3. Результаты заполнения формы металлом с распределением температуры потока
Рис. 4. Результаты кристаллизации металла с распределением доли твердой фазы в сплаве
Рис. 5. Результаты распределения пористости в слитке (от 1,3% и более)
Рис. 6. Вид в разрезе: поле температуры, °С, (а) и поле относительной плотности (б) в заготовке под ковку
Рис. 7. Кривые зависимости сопротивления деформации стали 20 от скорости и степени деформации при 800 °С
Постановку расчета проводили без использования граничного условия симметрии, так как в дальнейшем предполагается моделирование кузнечной протяжки, для чего требуется полная модель. Также для упрощения модели не рассматривали полную литниковую систему, заполнение полости изложницы задавали при условии подачи металла с постоянной скоростью на входе питателя. Скорость потока рассчитана исходя из общей продолжительности заливки формы 60 с, начальная температура заливки металла в месте подвода равна 1580 °С.
Теплофизические характеристики стали 20Л были рассчитаны в термодинамической базе РгоСЛБТ. Это специальный инструмент, позволяющий по введенному химическому составу сплава рассчитать необходимые теплофизические и механические характеристики сплавов на основе железа (стали и чугуны), алюминия, меди, никеля,
Рис. 8. Конечный вид изделия после кузнечной протяжки (непрозрачный контур) и исходный слиток (прозрачный контур)
титана, магния и др., что значительно упрощает работу по поиску необходимых свойств отечественных сплавов или специализированных редких материалов. На рис. 2 представлено окно базы данных У^иаЮЛБТ с расчетными характеристиками использованной стали. Для остальных эле-
Рис. 9. Изменение относительной плотности (пористости) изделия в конце первого (а), второго (б), третьего (в), четвертого
(г), пятого (д) проходов и шкала цветового соответствия (е)
Рис. 10. Поле накопленной степени деформации в изделии после всех операций кузнечной протяжки
ментов модели (керамическая литниковая втулка, экзотермическая оболочка, теплоизоляционный лист, чугунная изложница) использовали стандартные материалы из общей базы данных.
Моделирование задачи проводили на че-тырехъядерном компьютере с процессором Core i7-3770, общая продолжительность расчета составила около 2 ч. На рис. 3 и 4 показаны результаты моделирования заливки формы с распределением температуры металла и кристаллизации сплава по сечению слитка. В последний момент центральная часть слитка затвердевает объемно за короткий промежуток времени, в результате чего в этой зоне затруднена подпитка металла из прибыли и образуется распределенная усадочная рыхлота (рис. 5), составляющая 1,3-1,7%.
В целях передачи полученных результатов моделирования процессов заливки и изменения
геометрии слитка используются инструменты экспорта данных в пост-процессоре У1Биа1СА8Т. Для этого нужно выбрать те фрагменты слитка для моделирования, которые необходимо экспортировать (при этом, к примеру, слиток и прибыль должны быть выполнены отдельными элементами), и задать нужный расчетный шаг, с которого требуется взять расчетные данные. Сохранение сеточной модели и результатов осуществляется в формате Ра^ап (*.п1), и именно эти файлы загружаются в QForm для дальнейшей работы.
После того, как результаты моделирования процесса литья импортированы, приступают к постановке задачи в программе QForm. Было выполнено моделирование процесса кузнечной протяжки на плоских бойках с целью получения поковки квадратного поперечного сечения со стороной 180 мм. Протяжка не только изменяет форму заготовок, но и улучшает качество металла.
Один из этапов подготовки исходных данных для моделирования процесса деформирования - экспорт геометрии заготовки и инструментов. Сеточная модель заготовки, которая была ранее экспортирована из программы РгоСАБТ, загружается в качестве начальной модели заготовки под ковку. Полученная геометрия слитка уже учитывает изменение размеров заготовки в результате литейной усадки и коробления. После загрузки сеточной модели на нее накладываются импортированные поля температуры и пористо-
сти (рис. 6). Далее в параметрах заготовки требуется указать мате
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.