Численный анализ процесса теплообмена и определение эффективных теплофизических свойств формовочных материалов на основе построения их структурных моделей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Бройтман, Олег Аркадьевич

• Бройтман, Олег Аркадьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бройтман, Олег Аркадьевич

Введение

1. Литературный обзор

1.1. Дисперсные системы, методы описания их структуры и закономерностей переноса тепла

1.2. Процессы сопряжённого тепло- и массообмена в литейной форме

1.3. Задачи работы

2. Определение локально-эффективных теплофизических характеристик формовочных материалов на основе структурных моделей

2.1. Постановка задачи

2.2. Структурная модель несвязанных смесей и расчёт их локально-эффективных теплофизических характеристик

2.3. Структурная модель уплотнённых формовочных смесей и расчёт их локально-эффективных теплофизических характеристик

3. Определение интегрально-эффективных теплофизических характеристик формовочных материалов

3.1. Постановка задачи

3.2. Численное исследование нестационарного прогрева литейной формы и вычисление её интегрально-эффективных теплофизических характеристик

3.3. Экспериментальное определение эффективных теплофизических характеристик формовочных материалов

3.3.1. Определение теплофизических характеристик формовочных смесей методом заливки

3.3.2. Определение теплофизических характеристик формовочных смесей по методу регулярного режима

4. Решение обратной задачи определения локально-эффективных теплофизических характеристик смеси по известным интегрально-эффективным теплофизическим свойствам

4.1. Постановка задачи

4.2. Аналитическое решение задачи прогрева литейной формы при нелинейной зависимости её теплофизических свойств от температуры

4.3. Методика определения локально-эффективных теплофизических характеристик формовочных смесей по методу заливки

5. Анализ процессов сопряжённого тепло- и массообмена при определении теплофизических характеристик формовочных материалов

5.1. Постановка задачи

5.2. Моделирование переноса газов при прогреве литейной формы

5.3. Влияние деструкции термически нестойкого связующего на теплообмен в формовочном материале

6. Практическое использование результатов работы для информационного обеспечения систем моделирования литейной технологии

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численный анализ процесса теплообмена и определение эффективных теплофизических свойств формовочных материалов на основе построения их структурных моделей»

Теплофизические свойства формы оказывают существенное влияние на ^ процесс формирования отливки. Изменяя теплопроводность и теплоёмкость формовочной смеси, можно ускорить или замедлить скорость отвода тепла от отливки и тем самым повлиять на её качество.

При изготовлении отливок сложной конфигурации в комбинированной форме [1] путём подбора тепловых свойств формовочных смесей можно регулировать скорость охлаждения массивных и тонких частей отливки таким образом, чтобы они затвердевали одновременно или в необходимой последовательности, в зависимости от требований технологического процесса. В настоящее время в сфере литейного производства бурно развивается направление по компьютерному моделированию процессов > литья (см., например, [2-11], в [12] дан обзор применяемых моделирующих программных пакетов). На современных производствах активно применяются программные пакеты анализа литейной технологии. Среди набора исходных данных, необходимых для ввода в ЭВМ при проведении моделирования, фигурируют теплофизические свойства формовочных материалов. Достоверность задания этих свойств определяет адекватность и точность результата моделирования и, в конечном счёте, насколько правильной является разработанная с помощью ЭВМ литейная технология, обеспечивающая отсутствие дефектов в теле отливки. При разработке ^ литейной технологии без применения ЭВМ, когда поиск необходимого температурного режима затвердевания отливки производится с применением аналитических формул [13], также обязательно знание теплофизических характеристик применяемых формовочных смесей и того, как они изменяются в процессе формирования отливки.

Однако, экспериментальные данные по теплофизическим характеристикам формовочных материалов, которые можно найти в литературе, скудны и бессистемны. Даже систематизация имеющихся экспериментальных данных лишь очень приближённо позволяет ответить на вопрос о теплофизических характеристиках применяемого на производстве конкретного материала, поскольку его состав в большинстве случаев I отличается от уже исследованных. При этом в производственных условиях обычно нет возможности производить экспериментальное определение теплофизических свойств для используемых на практике материалов. Зачастую методики экспериментального определения свойств таковы, что применение полученных значений для условий литья неправомерно. Проблема продиктована в первую очередь сложной дисперсной структурой формовочных материалов [14-18] и сложным характером тепло- и массообмена в смесях при нагреве [13, 19].

В сложившейся ситуации актуальной является идея о расчётном пути установления теплофизических свойств формовочных материалов [20], > автоматической генерации свойств по заданному составу формовочного материала [21] для информационного обеспечения моделирующих систем и аналитических расчётов затвердевания отливок. Реализации этой идеи была посвящена основная часть настоящей работы: строили детерминированную математическую модель, позволяющую производить расчёт эффективных значений теплофизических свойств формовочных смесей. Модель опирается на представления о структуре смеси, реализации различных механизмов переноса тепла в ней и множественные её изменения, происходящие одновременно с процессом формирования отливки вследствие прогрева формы. Другой важной проблемой, требовавшей разрешения и I рассмотренной в настоящей работе, является определение границ применения теплофизических свойств формовочных материалов, определённых разными экспериментальными методами.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Бройтман, Олег Аркадьевич

7. Результаты работы успешно использованы для формирования информационного обеспечения при компьютерном моделировании процессов литья.

125

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бройтман, Олег Аркадьевич, 2006 год

1. Анисович Г.А., Жмакин Н.П. Охлаждение отливки в комбинированной форме. М.: Машиностроение, 1969. - 136 с.

2. Голод В.М. и др. Интегрированная САПР литейной технологии POLYCAST литейного завода КамАЗ. //Литейное производство, 1994, № 10-11, с. 44-47.

3. Голод В.М. Численный анализ литейной технологии: вчера, сегодня и завтра. //Сб. Литейное производство сегодня и завтра. СПб.: ЛенАЛ,2000, с. 68-72.

4. Тихомиров М.Д. Основы моделирования литейных процессов: тепловая задача. //Литейное производство, 1998, № 4, с. 30-34.

5. Щетинин А.А. и др. Использование систем компьютерного моделирования для выбора условий затвердевания отливки в песчано-глинистой форме. //Труды VII съезда литейщиков России. Т. II. Новосибирск: РАЛ, 2005, с. 222-226.

6. Турищев В.В., Савельев Ю.Н. Литьё по выплавляемым моделям: взгляд изнутри. //CADmaster, 2004, №4, с. 30-35.

7. Casting Simulation. Background and Examples from Europe and USA. WFO,2001.-344 p.

8. Hsiau S.S., Chang W.J. Cooling Analysis of Castings in Green Sand Molds //AFS Transactions. 1998, vol. 106, p. 595-600.

9. П.Иоффе М.А., Боровский Ю.Ф., Яценко А.А. Системный анализ техпроцессов литья. //Литейное производство, 2000, № 1, с. 14-17.

10. Леушин И.О., Решетов В.А., Петухов А.В. Основы систем автоматизированного проектирования для литейщиков. Н.Новгород: Изд-во НГТУ, 2002. 253 с.

11. Вейник А.И. Расчёт отливки. М.: Машиностроение, 1964. -404 с.

12. Лясс A.M. Быстротвердеющие формовочные смеси. М.: Машиностроение, 1965.-332 с.

13. Гуляев Б.Б. Литейные процессы. Л.: Машгиз, 1960. 416 с.

14. Гуляев Б.Б., Корнюшкин О.А., Кузин А.В. Формовочные процессы. Л.: Машиностроение, 1987. -264 с.

15. Боровский Ю.Ф. Классификация смесей. //Литейное производство, 1980, № 12, с. 14-15.

16. Жуковский С.С. Прочность литейной формы. М.: Машиностроение, 1989. -288 с.

17. Atterton D. Thermal Conductivity of Bentonite Molding Sand //Journal of the Iron and Steel Institute. 1953, vol. 173, №3, p. 453-459.

18. Дорошенко С.П., Авдокушин В.П., Русин К., Мацашек И. Формовочные материалы и смеси. К.: Выща шк., 1990. 416 с.

19. Дульнев Г.Н., Новиков В.В. Процессы переноса в неоднородных средах. JL: Энергоатомиздат, 1991. -248 с.

20. Hoyt D.F. If It's Black, Why Do They Call It Green Sand? //AFS Transactions. 1995, vol. 103, p. 353-360.

21. Hayes K.D., Barlow J.O., Stefanescu D.M., Piwonka T.S. Mechanical Penetration of Liquid Steel in Sand Molds. //AFS Transactions. 1998, vol. 106, p. 769-776.

22. Kaviany M. Principles of Convective Heat Transfer in Porous Medium. NY: Springer-Verlag, 1991.-886 p.

23. Ramrattan S.N., Guichelaar P.J., Palukunnu A., Tieder R. Study of Foundry Granular Media and Its Attrition //AFS Transactions. 1996, vol. 104, p. 877886.

24. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.: Энергия, 1974. 264 с.

25. Васин Ю.П. Газовый режим литейной формы. Челябинск: Изд-во ЧПИ, 1970.-54 с.

26. Рыжиков А.А. Технологические основы литейного производства. М.: Машгиз, 1962.-528 с.

27. Валисовский И.В. Пригар на отливках. М.: Машиностроение, 1983. 192 с.

28. Васильев В.А. Физико-химические основы литейного производства. М.: Изд-во МГТУ, 1994. 320 с.

29. Хазан Г.Л., Злыгостев С.Н. Моделирование структуры пористого тела литейной формы. //Сб. Прогрессивные технологические процессы и подготовка кадров для литейного производства. Екатеринбург.: Изд-во Урал. гос. проф.-пед. ун-та, 1998, с. 20-24.

30. Huang Н., Berry J.T., Zheng X.Z., Piwonka T.S. Thermal Conductivity of Investment Casting Ceramics. //Cast Metals. 1990, vol. 3, №1, p. 23-28.

31. Dorn T.A., Roth well M.D., Heine R.W. Agglomeration Behavior in Green Molding Sands. //AFS Transactions. 1999, vol. 107, p. 11-18.

32. Heine R.W., Florey C.W. Structure of Green Sands. //AFS Transactions. -2001, vol. 109, p. 901-905.

33. Вейник А.И. Термодинамика литейной формы. М.: Машиностроение, 1968.-332 с.

34. Анисович Г.А. Затвердевание отливок. Мн.: Наука и техника, 1979. 232 с.

35. Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Физика почвы. М.: Наука, 1967. 584 с.

36. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962. 456 с.

37. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 472 с.

38. Лыков А.В. Тепломассообмен. М.: Энергия, 1978.-480 с.

39. Миснар А. Теплопроводность твёрдых тел, жидкостей, газов и их композиций. М.: Мир, 1968. -464 с.

40. Kunii D., Smith J.M. Heat Transfer Characteristics of Porous Rocks //A.I.Ch.E. Journal 1960, vol. 6, №1, p. 71-78.

41. Васильев Л.Л., Танаева C.A. Теплофизические свойства пористых материалов. Минск: Наука и техника, 1971. 268 с.

42. Botterill J.S.M., Salway A.G., Teoman Y. The Effective Thermal Conductivity of High Temperature Particulate Beds. Pt. II: Model Predictions and the Implication of the Experimental Values. /Ant. J. Heat Mass Transfer. 1989, vol. 32, №3, p. 595-609.

43. Bauer R., Schlunder E.U. Effective Radial Thermal Conductivity of Packing in Gas Flow //I.Ch.E. 1978, vol. 18, №2, p. 181-204.

44. Gupta M., Yang J., Roy C. Modeling the Effective Thermal Conductivity in Polydispersed Bed Systems: A Unified Approach using the Linear Packing Theory and Unit Cell Model. //Can. Journal Ch.E. 2002, vol. 80, October, p. 830-839.

45. Kasai A., Murayama Т., Ono Y. Measurement of Effective Thermal Conductivity of Coke. //ISIJ International. 1993, vol. 33, №6. p. 697-702.

46. Эфрос A. JI. Физика и геометрия беспорядка. М.: Наука, 1982. 176 с.

47. Дульнев Г.Н., Кругликов В.К., Сахова Е.В. Математическое > моделирование гетерогенных изотропных систем. //ИФЖ, 1981, т. 41, №5, с. 859-864.

48. Анисович Г.А., Гринкевич Р.Н. Метод определения термофизических свойств формовочных земель. //Сб. Проблемы теплообмена при литье. Мн.: Изд-во БПИ, 1960, с. 81-87.

49. Вейник А.И., Анисович Г.А., Гринкевич Р.Н. Управление процессом охлаждения фасонных отливок. Мн.: Изд-во БПИ, 1963. 34 с.

50. Kubo К., Mizuuchi К., Ohnaka I., Fukusako Т. Measurment of Thermal Properties of Various Sand Molds by Pouring Method with Aluminium. //Journal Japan Foundrymen's Society. 1981, vol. 53, №6, p. 311-318.

51. Kubo K., Mizuuchi K., Ohnaka I., Fukusako T. Measurment of Thermal Properties of Sand Molds by Pouring Method Using Cast Iron. //Journal Japan Foundrymen's Society. 1983, vol. 55, №5, p. 291-297.

52. Kubo K., Pehlke R.D. Thermal Properties of Molding Sands. //AFS Transactions. 1985, vol. 93, p. 405-414.

53. Голод B.M., Корнюшкин O.A. Теория литейной формы. Механика и теплофизика. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001.-108 с.

54. Анастасиади Г.П., Голод В.М. Исследование прогрева формы при линейной зависимости теплофизических коэффициентов от температуры. //Сб. Исследования литейных процессов и сплавов. Труды ЛПИ №319. М.: Металлургия, 1971, с. 152-162.

55. Анастасиади Г.П. Формирование химической микронеоднородности в литейных сплавах. СПб.: Политехника, 1991. 148 с.

56. Раддл Р.У. Затвердевание отливок. М.: Машгиз, 1960. 392 с.

57. Горенко В.Г., Яновер Я.Д. Теплоизоляционные материалы в литейном производстве. К.: Техшка, 1981. -96 с.f

58. Анисович Г.А. Исследование процесса переноса тепла в песчано-глинистой литейной форме. //Сб. Теплофизика в литейном производстве. Минск: Наука и техника, 1967, с. 84-92.

59. Но К., Pehlke R. Simultaneous Determination of Thermal Conductivity and Specific Heat for Refractory Materials. //Journal Am. Ceram. Society. 1990, vol. 73, №8, p. 2316-2322.

60. Midea Т., Shah J.V. Mold Material Thermophysical Data. //AFS Transactions. 2002, vol. 110, pt. 1, p. 121-136.

61. Marek C.T. Transformation Zones in Green Sand. //AFS Transactions. 1963, vol. 71, p. 185-192.

62. Marek C.T. Green Sand Permeability Its Significance and Control. //Modern Casting. - 1966, vol. 49, №4, p. 87-97.

63. Аксёнов П.Н., Трухов А.П. Аналитический расчёт зоны конденсации в литейной форме. //Литейное производство, 1972, № 5, с. 19-21.

64. Грбек А., Гавличек Ф., Еничек Л. Зона реконденсации. //Сб. 34-й международный конгресс литейщиков. М.: Машиностроение, 1971, с. 119-129.

65. Михайлова Л.М. Экспериментальное исследование высокотемпературного процесса тепло- и массообмена в капиллярно-пористых телах. //Сб. Проблемы теплообмена при литье. Мн.: Изд-во БПИ, 1960, с. 159-172.

66. Михайлова Л.М. К вопросу о высокотемпературной сушке стержневых смесей. //Сб. Теплофизика в литейном производстве. Мн.: Изд-во АН БССР, 1963, с. 181-189.

67. Руденко А.Б., Серебро B.C. Литьё в облицованный кокиль. М.: Машиностроение, 1987. 184 с.

68. Серебро B.C. Основы теории газовых процессов в литейной форме. М.: Машиностроение, 1991. 208 с.

69. Рыжиков А.А., Спасский А.Ф. Теория транспорта газа в форме. //Сб. Теплофизика в литейном производстве. Мн.: Изд-во АН БССР, 1963, с.160.169.

70. Воронин Ю.Ф., Лосев А.Г., Матохина А.В., Бегма В.А. Моделирование газового режима литейной формы. //Литейщик России, 2004, № 4, с. 3541.

71. Решетин О.Л., Орлов С.Ю. Теория переноса тепла и влаги в капиллярно-пористом теле. //ЖТФ, 1998, т. 68, № 2, с. 140-142.

72. Kubo К., Pehlke R.D. Heat and Moisture Transfer in Sand Molds Containing Water. //Metallurgical Transactions B. 1986, vol. 17B, p. 903-911.

73. Медведев Я.И. Газовые процессы в литейной форме. М.: Машиностроение, 200 с.

74. Васин Ю.П. Газы в формовочных материалах и литейной форме. Челябинск: Изд-во ЧПИ, 1971. 116 с.

75. Головин В.Е., Надежин A.M., Неуструев А.А., Бибиков Е.Л. Газовый режим графитовых форм при литье титана. // Сб. Повышение качества и надёжности литых изделий. Ярославль, Ярославский политехнический институт, 1976.-с. 143-148.

76. Теплофизические свойства веществ. Справочник. /Под ред. Н.Б. Варгафтика. М.: Госэнергоиздат, 1956. 368 с.

77. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М.: Госэнергоиздат, 1959.-416 с.I

78. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. /Под ред. В. А. Григорьева, В.М. Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1982. 512 с.

79. Берг П.П. Формовочные материалы. М.: Машгиз, 1963. 408 с.

80. Агеенков В.Г., Михин Я.Я. Металлургические расчёты. М.: Металлургиздат, 1962. 208 с.

81. Физические величины. Справочник. /Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мелихова. М.: Энергоатомиздат. 1991. 1232 с.

82. Кржижановский Р.Е., Штерн З.Ю. Теплофизические свойства неметаллических материалов. Справочник. JL: Энергия, 1973.-336 с.

83. Литовский Е.Я., Пучкелевич Н.А. Теплофизические свойства огнеупоров. Справочник. М.: Металлургия, 1982. 152 с.

84. РТМ 3-9-70 Литые конструкционные стали. Физико-механические и технологические свойства. М., 1971

85. Белоусов Н.Н., Вейник А.И., Гольдман И.А. Влияние давления газа на термофизические свойства песчано-глинистой формы. //Сб. Приложения теплофизики в литейном производстве. Минск: Вышэйшая школа, 1966, с. 157-161.

86. РТМ 3-1820-88 Отливки из чёрных и цветных металлов и сплавов. Типовой технологический процесс изготовления методом вакуумно-плёночной формовки. М., 1989

87. Борисов Г.П. Давление в управлении литейными процессами. К.: Наукова думка, 1988.-272 с.

88. Иоффе М.А., Корнюшкин О.А. Исследование характеристик механических свойств смесей. //Известия вузов. Машиностроение, 1976, №6, с. 125-134.

89. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем. М.: Наука, 1971. 552 с.

90. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. — 392 с.

91. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Гостехиздат, 1957. 608 с.

92. Инженерные расчёты на ЭВМ. Справочное пособие. /Под ред. В.А. Троицкого. Л.: Машиностроение, 1979. 288 с.

93. Анастасиади Г.П., Голод В.М. Автомодельность температурного поля песчаной формы. //Сб. Тепловые процессы в отливках и формах. М.: Наука, 1972, с. 82-90.

94. Голод В.М. Теория литейных процессов. Учебное пособие. JL: Изд-во ЛПИ, 1983.-88 с.

95. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. Т. 1. М.: Машиностроение, 1976. -328 с.

96. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. М.: Гостехиздат, 1954. -408 с.

97. Дмитрович А.Д. Определение теплофизических свойств строительных материалов. М.: Госстройиздат, 1963.-204 с.

98. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 279 с.

99. Кузнецов П.Б., Голод В.М. Определение теплофизических характеристик композиций на основе рисовой шелухи и жидкого стекла. //Сб. Материалы межвузовской научной конференции в рамках XXXII недели науки СПбГПУ. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004, с. 186-187.

100. Бройтман О.А., Голод В.М. Моделирование распределения газового давления в литейной форме. //Сб. Фундаментальные исследования в технических университетах. Материалы IX Всероссийской конференции. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2005, с. 295-296.

101. Аэров М.Э., Умник Н.Н. Явления свободной конвекции в зернистом слое. //ЖТФ, 1951, т. 21, № 11, с. 1345-1350.

102. Чудновский А.Ф. Теплообмен в дисперсных средах. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1954. -444 с.