Исследование термонапряженного состояния отливки из алюминиевого сплава в процессе ее получения в футерованной форме с использованием термосифона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат технических наук Севастьянов, Антон Мамиевич

• Севастьянов, Антон Мамиевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Севастьянов, Антон Мамиевич

Введение.

Глава 1 Актуальность исследования. Инженерная постановка задачи.

1.1 Проблемы при получении полых отливок из алюминиевых сплавов при различных способах литья.

1.2 Инженерная постановка задачи.

Глава 2 Построение математической модели термонапряженного состояния при получении полой отливки.

2.1 Математическая постановка задачи в определяющих соотношениях термоупругости.

2.2 Соотношения осевой симметрии. Начальные и граничные условия задачи.

2.3 Выбор методики решения поставленной задачи.

Глава 3 Численная схема решения задачи.

3.1 Построение разностной схемы решения уравнения теплопроводности.

3.2 Построение разностной схемы решения деформационных соотношений термоупругости.

3.2.1 Запись деформационных соотношений для точки среды в произвольной криволинейной ортогональной системе координат.

3.2.2 Запись деформационных соотношений термоупругости в конечных разностях.

3.2.3 Численная схема рекуррентного удовлетворения конечно-разностным уравнениям (с некоторыми упрощениями для цилиндрической системы координат).

3.2.4 Методика вычисления коэффициентов СЛАУ и общий алгоритм решения деформационной задачи.

3.2.5 Некоторые аспекты реализации алгоритма составления СЛАУ и его вычислительная сложность.

3.2.6 Определение неизвестных граничных перемещений на свободной поверхности.

Глава 4 Результаты расчетов. ^

4.1 Программная реализация алгоритма.

4.2 Результаты расчета движения фронта затвердевания и полей напряжений для отливки, полученной с использованием неохлаж-даемого сердечника.

4.3 Результаты расчетов полей температур, движения фронта затвердевания и полей напряжений для отливки, полученной с использованием термосифона.

Глава 5 Экспериментальные исследования.

5.1 Проведение опытных разливок, исследования полученных образцов.

5.2 Сравнение экспериментальных и расчетных значений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование термонапряженного состояния отливки из алюминиевого сплава в процессе ее получения в футерованной форме с использованием термосифона»

Известен способ получения полых отливок из цветных сплавов литьем в металлическую форму (кокиль). Данный способ имеет ряд несомненных достоинств, таких как - высокая размерно-геометрическая точность, чистота поверхности и, как следствие, уменьшение допусков на механическую обработку, высокий ресурс оснастки, а также более высокие механические свойства по сравнению с отливками, полученными в песчаных формах (особенно при использовании кокилей с водоохлаждаемыми стенками) и др. Но, ввиду дороговизны и трудоемкости изготовления оснастки, усложняется переоборудование литейного участка на новый вид продукции, а, следовательно, экономический эффект от применения данного вида литья достигается в большей степени лишь при крупносерийном производстве [12, 17,30, 34, 42, 48].

С другой стороны, также известен способ получения полых отливок в футерованной форме, с неохлаждаемым металлическим сердечником, установленным по центру формы [49-60]. Основные недостатки данного способа - низкие, по сравнению с кокильным литьем, физико-механические свойства, низкий ресурс формы и более длительное время формирования отливки [3]. Данные недостатки могут быть устранены путем замены центрального сердечника термосифоном, позволяющим за короткий временной интервал отвести большую часть тепла, выделяемого кристаллизующимся металлом, от центра отливки. При этом, ввиду интенсивного теплоотвода и, как следствие, высоких термических напряжений, возможно появление трещин на внутренней поверхности отливки.

Несмотря на положительное влияние термосифонов на процессы тепло- и мас-сообмена, их применение при получении отливок из цветных сплавов практически не известно, а вопросы влияния теплоотвода через центральный сердечник на напряженно-деформированное состояние (НДС) отливок не исследованы.

Таким образом, актуальной задачей становится создание адекватной модели процесса охлаждения и затвердевания алюминиевой отливки с использованием термосифона и подбор с ее помощью таких начальных параметров, при которых отсутствие трещинообразования в отливках сочетается с вышеописанными преимуществами нового способа их получения.

Целыо данной работы является создание модели процесса затвердевания и дальнейшего охлаждения полой отливки из алюминиевого сплава в футерованной форме, исследование влияния наличия теплоотвода через центр отливки на ее напряженно-деформированное состояние, структуру и физико-механические свойства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- выполнена постановка, разработана численная схема и решены начально-краевые задачи математической физики и механики деформируемого твердого тела для определения полей температур и напряжений в отливке из алюминиевого сплава в процессе ее затвердевания и охлаждения в футерованной форме с установленным по центру термосифоном;

- исследованы поля напряжений и температур в затвердевающем металле, определены начальные параметры процесса, при которых отсутствует продольная трещина на внутренней поверхности отливки;

- установлено, что использование термосифона в качестве центрального сердечника позволяет получать отливки с мелкозернистой структурой, что, в свою очередь, повышает предел прочности на 40% и твердость на 23% при незначительном снижении пластичности.

- теоретически показано, что использование термосифона в качестве центрального сердечника меняет характер движения фронта затвердевания - от центра к внешней поверхности отливки; при значительном прогреве формы перед разливкой, имеет место направленная кристаллизация по всей высоте отливки.

Достоверность полученных результатов основана на использовании фундаментальных уравнений механики сплошных сред, апробированных разностных схем и численных методов, сравнении экспериментальных и расчетных данных.

Практическая значимость работы. Численное решение поставленных задач, полученные результаты, а также сконструированная, изготовленная и запатентованная экспериментальная установка для получения полых отливок из алюминиевого сплава с использованием термосифона используются для промышленной отработки нового способа, позволяющего сократить время формирования отливки, повысить ее физико-механические свойства, а также срок службы оснастки.

Построенная математическая модель процесса, численный алгоритм и зарегистрированное программное обеспечение используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» и ИМиМ ДВО РАН при подготовке студентов, бакалавров, аспирантов в курсе дисциплины «Математическое моделирование» для расчета тепловых и деформационных процессов в системе «отливка-форма» при охлаждении металлов с использованием термосифона (см. Приложения 2, 3).

Результаты работы докладывались автором на следующих конференциях:

- VIII Международная научно-техническая конференция «Материалы и технологии XXI века», г. Пенза, 2010;

- VI Всероссийская конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение», г. Екатеринбург, 2010;

- XXXV Дальневосточная математическая школа-семинар имени академика Е. В. Золотова, г. Владивосток, 2010;

- Всероссийская конференция «Школа по фундаментальным основам моделирования обработки материалов», г. Комсомольск-на-Амуре, 2010;

- Вторая региональная научно-техническая конференция студентов, магистров, аспирантов и молодых ученых Дальневосточного региона «Актуальные проблемы промышленных и информационных технологий», г. Комсомольск-на-Амуре, 2010;

- Всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные вопросы механики и процессов управления», посвященной 75-летию со дня рождения академика В. П. Мясникова, г. Владивосток, 2011;

- III Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейном производстве», г. Краматорск, 2011;

- Международный российско-китайский симпозиум «Современные материалы и технологии 2011», г. Хабаровск, 2011;

- конференция «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР», г. Екатеринбург, 2011;

- I Дальневосточная междисциплинарная молодежная научная конференция «Современные методы научных исследований», г. Владивосток, 2011;

- XXXVI Дальневосточная математическая школа-семинар имени академика Е. В. Золотова, г. Владивосток, 2012.

По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах из списка ВАК, получен патент на изобретение и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (78 наименований). Общий объем работы 115 страниц (в том числе три приложения на 14 страницах) с 51 рисунком и 4 таблицами.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Севастьянов, Антон Мамиевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1) Выполнена постановка, разработана численная схема и решены начально-краевые задачи математической физики и механики деформируемого твердого тела для определения полей температур и напряжений в отливке из алюминиевого сплава в процессе ее затвердевания и охлаждения в футерованной форме с установленным по центру термосифоном.

2) Разработан пакет программ для расчета полей температур и напряжений в затвердевающей отливке, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

3) Использование термосифона в качестве центрального сердечника меняет характер движения фронта затвердевания - от центра к внешней поверхности отливки. Показано, что прогрев формы до температуры t^опп >350°С перед разливкой позволяет получать направленную кристаллизацию по всей высоте отливки.

4) Наличие и локализация трещин на внутренней поверхности полученных отливок хорошо согласуются с рассчитанными значениями напряжений, что подтверждает адекватность построенной математической модели. Подобраны такие начальные условия процесса получения полой отливки с использованием термосифона, при которых трещина на внутренней поверхности отсутствует.

5) Разработана и изготовлена установка для получения отливок из алюминия с использованием термосифона, получен патент на устройство.

6) Проведены экспериментальные исследования процесса получения полой алюминиевой отливки в футерованной форме с установленным по центру термосифоном. Полученные значения температур в затвердевающем и охлаждаемом металле также хорошо согласуются с расчетными данными, что подтверждает адекватность построенной модели процесса.

7) Исследовано влияние теплоотвода через центральный сердечник на производительность процесса, структуру и физико-механические свойства получаемых отливок. Установлено, что применение термосифона позволяет получать отливки из алюминиевого сплава АЛ9 с измельченной структурой, как следствие - повысить предел прочности на 40%, твердость на 23% при незначительном снижении пластичности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Севастьянов, Антон Мамиевич, 2013 год

1. Алексеев, В. А. Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования радиоэлектронной аппаратуры / В. А. Алексеев, В. А. Арефьев. М.: Энергия, 1979. — 128 с.

2. Амосов, А. А. Вычислительные методы для инженеров / А. А. Амосов, Ю. А. Дубинский, Н. В. Копченова. М.: Высшая школа, 1994. - 544 с.

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

4. Анурьев, В. И. Справочник конструктора-машиностроителя / В. И. Анурьев. -М.: Машиностроение, 2001.-418 с.

5. Арзамасов, Б. Н. Материаловедение / Б. Н. Арзамасов. М.: Машиностроение, 1986.-384 с.

6. Байков, А. И. Центробежное литье / А. И. Байков. М.: Машгиз, 1956. - 152 с.

7. Баландин, Г. Ф. Основы теории формирования отливки / Г. Ф. Баландин. М.: Машиностроение, 1976.-328 с.

8. Боли, Б. Теория температурных напряжений / Б. Боли, Д. Уэйнер. М.: Мир, 1964.-520 с.

9. Борисов, В. Т. Теория двухфазной зоны металлического слитка / В. Т. Борисов. М.: Металлургия, 1987. - 224 с.

10. Вайсбергер, А. Органические растворители. Физические свойства и методы очистки / А. Вайсбергер, Э. Проскауэр, Дж. Риддик, Э. Тупс. М.: Издательство иностранной литературы, 1958. - 519 с.

11. Васькин, В. В. Математическое моделирование и литейные технологии /

12. B. В. Васькин, В. В. Кропоткин, А. В. Обухов // САБша81ег. 2002. - №4. - С. 3539.

13. Вейник, А. И. Литье в кокиль / А. И. Вейник. М.: Машиностроение, 1980. -415 с.

14. Годунов, С. К. Элементы механики сплошных сред и законы сохранения /

15. C. К. Годунов, Е. И. Роменский. Новосибирск: Научная книга, 1998. - 280 с.

16. Голубев, И. Ф. Вязкость газов и газовых смесей / И. Ф. Голубев. М.: Физмат-гиз, 1959.-375 с.

17. Дан, П. Д. Тепловые трубы / П. Д. Дан, Д. А. Рей. М.: Энергия, 1979. - 272 с.

18. Демидович, Б. П. Основы вычислительной математики / Б. П. Демидович, И. А. Марон. М.: Наука, 1966. - 664 с.

19. Дубинин, Н. П. Кокильное литье / Н. П. Дубинин М.: Машиностроение, 1967.-367 с.

20. Ефимов, В. А. Специальные способы литья. Справочник / В.А.Ефимов, Г. А. Анисович, В. Н. Бабич. —М.: Машиностроение, 1991. 436 с.

21. Зарубин, В. С. Математические модели термомеханики / В.С.Зарубин, Г. Н. Кувыркин. -М.: Физматлит, 2002. 168 с.

22. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред / О. Зенкевич, И. Чанг. М.: Недра, 1974. - 240 с.

23. Исакеев, А. И. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов / А. И. Исакеев, И. Г. Киселев, В. В. Филатов. Л.: Энергоиздат, 1982.-136 с.

24. Исаченко, В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. М.: Энергия, 1985. - 488 с.

25. Коваленко, А. Д. Развитие исследований в области термоупругости, термопластичности, термовязкоупругости / А. Д. Коваленко // Прикладная механика. -1969.-Т. 5.-№12.-С. 1-16.

26. Крейт, Ф. Основы теплопередачи / Ф. Крейт, У. Блэк. М.: Мир, 1983. - 512 с.

27. Кропотин, В. В. К вопросу о компьютерном моделировании затвердевания многофазных систем / В. В. Кропотин, Н. В. Кропотин, В. Г. Лебедев // Вестник Удмуртского университета. Серия «Физика. Химия». 2008. - Вып. 1. - С. 141150.

28. Кузнецов, Г. В. Математическое моделирование нестационарных режимов те-плопереноса в замкнутом двухфазном цилиндрическом термосифоне в условиях конвективного теплообмена с внешней средой / Г. В. Кузнецов, М. А. Аль-Ани,

29. М.А.Шеремет // Вестник Томского государственного университета. 2011. -№1. - С. 93-104.

30. Купрадзе, В. Д. Трехмерные задачи математической теории упругости и термоупругости / В. Д. Купрадзе. М.: Наука, 1976. - 664 с.

31. Кутателадзе, С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление / С. С. Кутателадзе. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.

32. Ландау, Л. Д. Теоретическая физика. Теория упругости / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. М.: Наука, 1987. - 247 с.

33. Липницкий, А. М. Литье в металлические формы / А. М. Липницкий. М.: Машиностроение, 1969.-211 с.

34. Лунев, Ф. А. Силумин. Фасонное литье / Ф. А. Лунев М.: ОНТИ, 1937. - 90 с.

35. Мелан, Э. Термоупругие напряжения, вызываемые стационарными температурными полями / Э. Мелан, X. Паркус. М.: Физматгиз, 1958. - 167 с.

36. Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. М.: Энергия, 1977.-344 с.

37. Небогатое, Ю. Е. Специальные виды литья / Ю. Е. Небогатое, В. И. Тамаровский. М.: Машиностроение, 1975. - 457 с.

38. Новацкий, В. Теория упругости / В. Новацкий. М.: Мир, 1975. - 872 с.

39. Новиков, И. И. Термодинамика / И. И. Новиков, М. П. Вукалович. М.: Машиностроение, 1972. - 672 с.

40. Новожилов, В. В. Теория упругости / В. В. Новожилов. Л.: Судпромгиз, 1958.-371 с.

41. Одиноков, В. И. Численное исследование процесса деформации материалов бескоординатным методом / В. И. Одиноков. Владивосток: Дальнаука, 1995. -168 с.

42. Одиноков, В. И. О конечно-разностном представлении дифференциальных соотношений теории пластичности / В. И. Одиноков // Прикладная механика. -1985. Т. 21. - №1. - С. 97-102.

43. Одиноков, В. И. Математическое моделирование сложных технологических процессов / В. И. Одиноков, Б. Г. Каплунов, А. В. Песков, А. А. Баков. М.: Наука, 2008.- 176 с.

44. Петриченко, А. М. Теория и технология кокильного литья / А. М. Петриченко. Киев.: Техника, 1967. - 489 с.

45. Пиоро, И. Л. Эффективные теплообменники с двухфазными термосифонами / И. Л. Пиоро, В. А. Антоненко, Л. С. Пиоро. Киев: Наукова думка, 1991. - 248 с.

46. Победря, Б. Е. Численные методы в теории упругости и пластичности / Б. Е. Победря. М.: Изд-во МГУ, 1995. - 366 с.

47. Розин, Л. А. Метод конечных элементов в применении к упругим системам / Л. А. Розин. -М.: Стройиздат, 1977. 129 с.

48. Самарский, А. А. Введение в теорию разностных схем / А. А. Самарский. М.: Наука, 1971.-552 с.

49. Самарский, А. А., Моисеенко Б. Д. Экономичная схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана / А. А. Самарский, Б. Д. Моисеенко // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1965. - Т. 5. - №5. - С. 816-827.

50. Святкин, Б. К. Литье в металлические кокили / Б. К. Святкин. М.: Высшая школа, 1974.-312 с.

51. Севастьянов, А. М. Получение полых отливок из алюминия и его сплавов / А. М. Севастьянов // Материалы I Дальневосточной междисциплинарной молодежной научной конференции «Современные методы научных исследований». -2011.-С. 17.

52. Севастьянов, А. М. Получение полых отливок из алюминия и его сплавов / А. М. Севастьянов, В. В. Стулов // Труды научно технической конференции

53. Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». 2011. - Т.2. -С. 479-488.

54. Севастьянов, A.M. Получение полых отливок из алюминия и его сплавов / А. М. Севастьянов, В. В. Стулов // III Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейном производстве». 2011. - С. 160.

55. Севастьянов, Г. М. Об одном способе расчета границы фронта кристаллизации в расплаве стали / Г. М. Севастьянов // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2011. - №11-1(6). - С. 7680.

56. Стулов, В. В. Технологии заливки алюминиевого сплава в футерованную форму при получении полых отливок / В. В. Стулов, А. М. Севастьянов // Литейное производство. 2010. - № 6. - С. 19-22.

57. Стулов, В. В. Получение полых алюминиевых отливок в футерованной форме / В. В. Стулов, А. М. Севастьянов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева. 2010. - №3. - С. 211 -217.

58. Стулов, В. В. Повышение безопасности и эффективности охлаждения металла в процессе получения полой отливки / В. В. Стулов, А. М. Севастьянов // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2011. -№2. - С. 66-71.

59. Стулов, В. В. Устройство для получения полой цилиндрической отливки в форме. Патент РФ №2419512 / В. В. Стулов, А. М. Севастьянов, В. И. Одиноков, В. А. Кечин. 27.05.2011. Бюл. №15.

60. Стулов, В. В. Новая технология получения полых отливок в футерованных формах / В. В. Стулов, А. М. Севастьянов // Сборник трудов международного российско-китайского симпозиума «Современные материалы и технологии 2011». — 2011.-С. 89-96.

61. Тихомиров, М. Д. Основы моделирования литейных процессов. Тепловая задача / М. Д. Тихомиров // Литейное производство. 1998. - №4. - С. 30-34.

62. Тихомиров, М. Д. Теплопередача через границу «отливка-форма» при затвердевании алюминиевых сплавов / М. Д. Тихомиров // Литейное производство. -1990.-№6.-С. 18-19.

63. Тихонов, А. Н. Уравнения математической физики / А. Н. Тихонов, А. А. Самарский. -М.: Изд-во МГУ, 1995.-366 с.

64. Толубинский, В. И. Теплообмен при кипении / В. И. Толубинский. Киев: Наукова думка, 1980. - 316 с.

65. Уонг, X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров / X. Уонг. М.: Атомиздат, 1979. - 213 с.

66. Флеминге, М. Процессы затвердевания / М. Флеминге. М.: Мир, 1977. -424 с.

67. Цаплин, А. И. Теплофизика в металлургии / А. И. Цаплин. Пермь: Изд-во ПГТУ, 2008. - 230 с.

68. Цветков, Ф. Ф. Тепломассообмен / Ф. Ф. Цветков, Б. А. Григорьев. М.: МЭИ, 2005.-550 с.

69. Шпильрайн, Э. Э. Тепловые трубы / Э. Э. Шпильрайн. М.: Мир, 1972. -418 с.

70. Saad, Y. Krylov subspace methods for solving large unsymmetric linear systems / Y. Saad // Mathematics of computation. 1981. -№37. - p. 105-126.

71. Saad, Y. Krylov subspace methods on supercomputers / Y. Saad // SIAM Journal on scientific and statistical computing. 1989. -№10. - p. 1200-1232.

72. Saad, Y. SPARSKIT: A basic tool kit for sparse matrix computations. Technical report 90-20. Research Institute for Advanced Computer Sciense, NASA Ames Research Center. Moffet Field, CA, 1990.

73. Saad, Y. A flexible inner-outer preconditioned GMRES algorithm / Y. Saad // SIAM Journal on scientific and statistical computing. 1993. - №14. - p. 461-469.

74. Saad, Y. ILUT: a dual threshold incomplete ILU factorization / Y. Saad // Numerical linear algebra with applications. 1994. - №1. - p. 387-402.

75. Saad, Y. GMRES: a generalized minimal residual algorithm for solving nonsym-metric linear systems / Y. Saad, M. H. Schultz // SIAM Journal on scientific and statistical computing. 1986. - №7. - p. 856-869.

76. Samanci A. Experimental investigation of single-phase and two-phase closed ther-mosyphon solar water heater systems / A. Samanci, A. Berber // Scientific Research and Esays. 2011. - №6. - p. 688-693.

77. Zlatev, Z., Wasniewski J., SchaumburgK. Y12M solution of large and sparse systems of linear algebraic equations: documentation of subroutines / Z. Zlatev, J. Wasniewski, K. Schaumburg. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York. -1981.- 126 p.