3 лаба

Лабораторная работа №3

Моделирование в программе “LVMFlow”

Цель работы:

1подготовка отливки к использованию системы компьютерного моделирования “LVMFlow”;

2 определение возможных дефектов отливки путем анализа температурных полей.

Оборудование: персональный компьютер, на базе процессора (минимя тления требования) Intel Pentium 2, 128 Мб оперативной памяти, программа трехмерного твердотельного моделирования, пакет прикладных программ “LVMFlow”

Теоретическое введение

LVMFlow - это российская компьютерная программа для моделирования литейных технологий, созданная в лаборатории математического моделирования.

В основу новой версии LVMFlow положен метод контролируемого объема Control Volume (CVM). CVM предполагает точный учет балансовых условий, в результате чего разностная сетка дополняется набором геометрических характеристик, описывающих истинный объем материала в ячейки сетки, который не равен объему просто кубика (как было в конечных разностях) и площади соприкасающихся материалов в каждой ячейке.

Программа позволяет промоделировать следующие процессы:

-заполнение формы металлом;

-расчет температурных полей;

-расчет поля жидкой фазы;

-расчет сегрегации (хим. неоднородность);

-расчет дефектов;

-расчет напряжений и деформаций;

-работа ТЭНов;

-каналы охлаждения;

-работа фильтров;

-учет многократного использования формы.

Интерфейс пользователя

Система LVMFlow удобна и достаточно проста в эксплуатации. Ее интерфейс полностью лежит в рамках стандарта интерфейса Windows. Терминология меню и диалогов привычна и понятна для специалиста, работающего в литейном производстве. Меню системы продублировано панелью инструментов с иконками, довольно точно отражающими суть инструмента и позволяющими сократить число операций при работе с системой. При возникновении затруднений всегда можно воспользоваться справочной системой.

Программные модули

-LVMFlow построена по модульному принципу и включает следующие модули:

-системные установки — установка системных параметров;

-3D Конвектор - преобразование геометрии в формат LVMFlow;

-база данных - база данных теплофизических свойств сплавов и материалов форм;

-начальные условия - формирование начальных и граничных условий;

-кристаллизация - моделирование затвердевания;

-заливка — моделирование заполнения без учета теплопередачи;

-заливка и Кристаллизация - моделирование заполнения формы и затвердевания отливки;

-просмотр результатов - просмотр результатов моделирования;

-подготовка геометрии.

В настоящее время существует большое число систем геометрического моделирования (Proengineer, SolidWorks и др.), позволяющих создать геометрический образ в форматах IGES, DXF, STL... Для связи с системами геометрического моделирования в LVMFlow имеется конвертор, преобразующий файлы форматов IGES, DXF, STL, ASCII во внутренний формат LVMFlow. Модуль «3D Импорт» также выполняет следующие функции:

-изменение ориентации отливки в пространстве. В процессе отладки технологии бывает необходимо менять ориентацию отливки относительно поля тяжести. Для поворота отливки предусмотрены 2 варианта:

а) числовое задание углов Эйлера;

б) вращение отливки при помощи устройства «мышь» с визуальным контролем за ее ориентацией.

-масштабирование геометрического образа отливки. 3D Импорт позволяет изменить масштаб геометрического образа отливки посредством выбора системы единиц измерения (мм, см, дюймы).

-сборка конструкции из геометрических образов, хранящихся в различных файлах. Например, имея в отдельных файлах геометрию отливок, литниково-питающих систем, прибылей, можно реализовать различные компоновки элементов и создавать различные конструкции.

LVMFlow предназначен для моделирования процессов формирования отливок в реальных цеховых условиях. Промышленные сплавы в подавляющем большинстве являются многокомпонентными системами. Для моделирования кристаллизации сплава необходима его фазовая диаграмма. К сожалению, полных многокомпонентных диаграмм состояния не существует. Достаточно изученными являются диаграммы двухкомпонентных систем. В связи с этим, в модуле База данных производится приближенный расчет положения фазовых равновесий многокомпонентного сплава методом деформации двухкомпонентной диаграммы состояния.

Если база данных не содержит нужных пользователю сплавов и материалов форм, она может быть пополнена самим пользователем. Ввод и корректировка данных осуществляется в простом диалоге и сопровождается графическим отображением вводимых значений. Корректируются только данные по сплавам и материалам форм, параметры классов пользователем откорректированы быть не могут. Такая коррекция, а также ввод новых классов сплавов производятся разработчиком по заказу пользователя.

В программе LVMFlow имеется банк дынных для материалов:

-углеродистые стали: 15Л,20,20Л,25,25Л,30,35Л,Зсп,45,45Л,5сп;

-легированные стали: 18ХГ, 35ТЛ,45ГЛ, 06Х12НЗДП, 08ДНФП, 10ХНЗМП, 110Г13П, 35ХМЛ, 35НХП;

-нержавеющие стали: 10Х18Н9БЛ, 12Х18Н12Б, 03X17H14M3, 03Х17Н13М2, 08X13, 12X13,08Х18Н10;

-хромистые стали: 20X13,40X13,08Х18Н12Б;

-серые чугуны: СЧ-10, СЧ-15, СЧ-18, СЧ-20, СЧ-25, СЧ-30, СЧЗЦ01;

-высокопрочные чугуны: ВЧ-40, ВЧ-45, ВЧ-50, ВЧ-60, СЧХНМД;

-износостойкие чугуны: ИЧ210ХЗЗНЗСЛ, ИЧ300Х18Г2, ИЧ320Х20Н;

-никелевые сплавы: ВЖЛ12У, ХН77ГУТ;

-латуни: Л60, Л68, Л70, Л85;

-оловянные бронзы: БрОЮ, Бр05Ц5С5Л;

-безоловянные бронзы: БрА9Мц2Л, БрА10Ж4Н4Л, БрА11Ж6Н6, БрА9ЖЗП;

-силумины: АК12М2МгН, АК12ММгн, АК12М2, АК6М2, АК8МЗ;

-магниевые сплавы: МЛЗ, МЛ5п4;

-цинковые сплавы (стандарт США): ZA-12, ZA-27, ZA-8.

База данных программы может быть легко пополнена новым сплавом. Для этого необходимо вручную ввести следующие данные:

-химический состав;

-температура ликвидуса и солидуса;

-теплота плавления (кристаллизации), кДж/кг;

-основные теплофизические свойства в интервале температур от 20 °С до температуры не много превышающей температуры ликвидуса;

-теплопроводность, Вт/м/°С;

-удельная теплоемкость, Дж/кг/°С;

-плотность, кг/м³;

-кинематическая вязкость, м²/с;

-коэффициент теплопередачи, кВт/м²/°С.

В настоящие время LMW Flow CV: позволяет рассчитать следующее:

• смещение X,Y,Z в направлениях (в объеме - коробление, в сечении - линейная усадка);

• максимальное главное напряжение (критерий горячих трещин, позволяет определять возможные места образования горячих трещин).

LMW Flow CV. Моделирование широкого спектра задач:

-литьё под высоким давлением;

-литьё под низким давлением;

-литьё по выплавляемым моделям;

-литьё в землю;

-литьё в кокиль;

-литьё в поворотную форму.

Решение литейных проблем:

-холодные спаи и дефекты заполнения;

-воздушные карманы;

-усадочные раковины;

-микропористость — горячие трещины;

-пластические деформации;

-остаточные напряжения.

Модули.

Модуль «Настройки», модуль «3D - импорт», модуль «Банк материалов», модуль «Задание качественных условий», модуль «Заполнение», модуль «Затвердевание», модуль «Полная задача», модуль «Напряжения», модуль «Банк паспортов», модуль «Тест».

В LMW Flow имеется конвертор, преобразующий файлы форматов STEP, DXF, STL, ASC во внутренний формат LMW Flow .

Функции модуля «3D - импорт»:

-изменение ориентации отливки в пространстве;

-масштабирование геометрического образа отливки;

-сборка конструкции из геометрических образов, хранящиеся в различных файлах.

Модуль «Начальные установки»

Этот модуль предназначен для задания начальных условий. Этот модуль позволяет:

-создать разностную сетку в расчетной области;

-задать на границах расчетной области условия теплообмена;

-задать начальную температуру форму заливаемого металла;

-сформулировать параметры заливки;

-ввести параметры дополнительных технологических приёмов;

-установить датчики.

Задание граничных условий: на границе расчетной области поддерживается заданная температура:

-граница расчетной области является плоскостью симметрии;

-за пределами границы расчетной области располагается бесконечная форма;

-граница расчетной области является границей форма - воздух.

Установка датчиков.

Для более детального анализа пользователь может установить датчики в любом месте расчетной формы.

В модуле «Кристаллизация» форма изначально считается мгновенно заполненной расплавом и моделируется процесс затвердевания сплава. В основе модели лежит неравновесная теория кристаллизации многокомпонентного сплава. В модуле «Заливка» моделируется заполнение формы расплавом, которое рассматривается, как течение идеальной несжимаемой жидкости без учета процессов теплопередачи.

Преимущества CV: экономия памяти при хранении данных на регулярной структуре; возможность применения быстрых алгоритмов, связанных с факторизацией; легко производится измельчение и укрепление сетки, если это необходимо; возможность при необходимости, легко повышать порядок аппроксимации.

Данной работай занимается НИИ материалов, так как на предприятиях нет оборудования для получения необходимых данных.

Формовочные смеси.

Alfamet — смесь:

-песок кварцевый, 95 - 96 %

-смола, 2 %

-отвердитель, 25 % от количество смолы Furane — смесь:

-AI2O3; отмечаются незначительные примеси хрома, железа, марганца, титана. Шамот:

28 % < А1гОз< 45 %

Формовочная смесь №546:

-песок 92 - 94 %

-глина огнеупорная 6-8%

-N2OH, удельный вес 1,3 г/см³,0,5 - 0,7 %

-Ж стекло, удельный вес 1,47 - 1,52 г/см³,8 - 9 %

-газопроницаемость не менее 100 %

-прочность сухая не менее 10 кг/см² Модуль «Напряжения».

Параметр «Твердость формы» для всех материалов формы может иметь значения от 0 до 1, где 0 - абсолютно мягкий материал, 1 - абсолютно твердый материал формы.

Начальные установки

Модуль Начальные установки предназначен для задания начальных и граничных условий. Для этого необходимо:

-создать разносную сетку в расчетной области, на которой будут решаться уравнения тепло-массопереноса. В LVMFlow элементарной ячейкой разносной сетки является куб. Поэтому для автоматической генерации >сетки достаточно ввести один параметр - размер ячейки (шаг сетки), либо задать общее количество узлов сетки. Чем меньше шаг сетки, тем точнее решение, которое получится в процессе счета.

-задать на границах расчетной области условия теплообмена. Задание граничных условий на границе расчетной области осуществляется выбором одного из четырех вариантов:

а) на границе расчетной области поддерживается заданная температура;

б) граница расчетной области является плоскостью симметрии;

в) за пределами границы расчетной области располагается бесконечная;

г) граница расчетной области является плоскостью симметрии.

-задать начальные температуры формы и заливаемого металла Созданную в системе геометрического моделирования конструкцию можно дополнить построением оболочки вокруг любой части отливки. Для этого достаточно указать эту часть отливки и задать толщину оболочки. Оболочка становится таким же элементом технологической оснастки, как и те детали, что построены в системе геометрического моделирования. В случае неоднородной технологической оснастки для каждого материала можно задать свою собственную начальную температуру.

-сформировать параметры заливки. В LVMFlow заложена возможность моделирования двух видов заливки: гравитационное литье и литье под давлением. Задание места питания металлом (литниковой точки) производится на границе расчетной области в точке, принадлежащей отливке или литниково-питающей системе.

Для гравитационного литья задается напор - высота столба жидкости над сечением, в котором установлена литниковая точка и коэффициент, характеризующий уменьшение потока расплава, вызванное трением жидкости о стенки заливочного устройства.

Для литья под давлением задается либо скорость входного потока, либо массовый расход расплава. При задании одного из параметров, второй автоматически рассчитывается. Изменение скорости входного потока во времени можно задать изначально формированием таблицы “время - скорость” или организацией системы сенсоров. Установленные в отливку сенсоры работают следующим образом: когда фронт расплава проходит через сенсор фоисходит смена скорости входного потока

Большинство параметров изначально установлены по умолчанию системой Системные установки. В процессе работы достаточно откорректировать параметры или не изменять их вообще. Ввод значений параметров можно производить в произвольном порядке.

Из дополнительных приемов, применяемых в литейной технологии, в LVMFlow реализовано моделирование тепло электро нагревателей (ТЭНов), каналов с тепло носителями (газ, жидкость, плазма) и фильтров. Мощность тепловыделения ТЭНов в процессе моделирования можно менять в произвольные моменты времени. Каналы с теплоносителями

Для обработки литейной технологии, предусматривающей многократное использование формы, в системе LVMFlow реализовано моделирование циклического процесса

Моделирование заливки и кристаллизации в LVMFlow имеет три расчетных модуля:

-кристаллизация

-заливка

-заливка и кристаллизация

В модуле Кристаллизация форма изначально считается мгновенно заполненной расплавом и моделируется процесс затвердевания сплава. В основе модели лежит неравновесная теория кристаллизации много компонентного сплава.

В модуле заливка моделируется заполнение формы расплавом, которое рассматривается, как течение идеальной несжимаемой жидкости без учета процессов теплопередачи. Течение описывается уравнениями Навье - Стокса, где вязкость учитывается в виде поправки. Для изучения движения в расплаве посторонних (шлаковых) частиц в пакете предусмотрена возможность моделирования движения шарообразных частиц радиуса и плотности.

В модуль Просмотр результатов включена возможность создания и просмотра результатов с помощью анимации. В дальнейшем паспорт может быть использован модулем Начальные установки в качестве прототипа для нового варианта моделирования заполнения и затвердевания.

Последовательность процесса моделирования:

- с помощью модуля 3D конвертер открываем файл формата .STL, фиксируем ориентацию детали по X, Y, Z, жмем фиксировать ориентацию, сохранить;

- открываем модуль начальные установки и жмем модель, создать модель;

- задаем минимальную толщину формы 20 мм, жмем применить;

- устанавливаем число ячеек 6, объем оперативной памяти не более 200 Мб;

- граничные условия – стандартные, жмем применить;

- необходимо срезать слой смеси под стояком, для этого в сечении плоскости XY двигаем ползунок, пока не увидим воронку; жмем размер бокса, отсечь выше, применить, да;

- открываем вкладку модель, задание материалов;

- выбираем сплав с начальной температурой;

- выбираем параметры формы: класс материала, тип, материал, жмем изменить;

- выбираем среду – вн. Воздух, жмем да;

- открываем вкладку оснастка, противопригарное покрытие, толщина 0,5 мм, да;

- устанавливаем датчики (3 штуки) в отливке, прибыли, форме, да;

- выбираем литниковую точку в плоскости XY, ползунок вправо, да;

- устанавливаем параметры заливки: тип – гравитационное литье, напор 100 мм, время 6 с, поток, да;

- файл, записать;

- открываем модель затвердевание, файл, открыть, правой кнопкой по экрану – вывод сетки.

- начать моделирование;

- закрыть и сохранить;

- открываем модуль банк паспортов и получаем вывод результатов: жидкая фаза, тепловой модуль, усадка, температура, графики, кр. Нияма, время затвердевания.

6