Система автоматизации проектирования технологических параметров литья на основе моделирования обратной задачи охлаждения отливки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Мальгавко, Дмитрий Сергеевич

• Мальгавко, Дмитрий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мальгавко, Дмитрий Сергеевич

Обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1 Обзор алгоритма проектирования технологии изготовления отливок.

1.2 Обзор интегрированной системы автоматизированного проектирования технологии изготовления отливок.

1.3 Компьютерное моделирование процессов литья.

1.4 Температурные напряжения в отливках.

1.5 Критерии оптимальности условий затвердевания расплавов.

1.6 Некорректные обратные задачи теплопроводности.

1.7 Формулировка целей и задач работы.

Глава 2. Описание методики синтеза параметров технологии литья на основе моделирования обратной задачи охлаждения отливки.

2.1 Алгоритм процедуры моделирования обратной задачи охлаждения отливки.

2.2 Математическая модель обратной задачи охлаждения отливки.

2.3 Математическая модель учета скрытой теплоты кристаллизации.

2.4 Математическая модель учета объектов воздействия на процесс охлаждения отливки.

2.5 Начальное распределение температуры в форме и объектах воздействия.

2.6 Начальное распределение температуры в отливке.

2.7 Выводы по главе.

Глава 3. Автоматизация проектирования технологических параметров литья, оказывающих влияние на процесс охлаждения отливки.

3.1 Генерация конечно-элементной сетки отливки и формы.

3.1.1 Реализация метода исчерпывания.

3.1.2 Реализация метода граничной коррекции.

3.1.3 Оптимизация конечно-элементной сетки.

3.2 Оптимизация технологических параметров.

3.3 Визуализация результатов моделирования.

3.4 База данных теплофизических характеристик материалов.

3.5 Выводы по главе.

Глава 4. Экспериментальное подтверждение математической модели.

4.1 Методика экспериментов и расчетов.

4.2 Результаты экспериментов и расчетов.

4.3 Выводы по главе.

Глава 5. Пример практического использования САПР «Отливка+».

5.1 Отливка «Тавровая балка».

5.2 Отливка «Корпус насоса».

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система автоматизации проектирования технологических параметров литья на основе моделирования обратной задачи охлаждения отливки»

Актуальность работы. Литейное производство является основной заготовительной базой машиностроения, поэтому уровень машиностроительного комплекса в целом в большой степени зависит от его развития. Литьем получают значительную часть деталей машин, многие изделия, используемые в строительстве, сельском хозяйстве, транспортных агрегатах, в быту и т. д.

Литейное производство > выгодно отличается от других заготовительных производств тем, что методом литья возможно изготавливать заготовки, максимально приближённые по геометрии к самым сложным деталям машин. Коэффициент использования металла в современных литейных технологиях достигает 95-97% в цветном литье и более 80% - в чугунолитейном производстве.

При изготовлении отливок применяют различные сплавы на основе железа, меди, алюминия, магния, титана, цинка и других металлов. Некоторые сплавы, например чугун, используют только в литейных цехах, так как вследствие хрупкости их нельзя подвергать ковке, штамповке и другим видам обработки давлением.

Развитие техники предъявляет высокие требования к качеству литых заготовок. Отливки должны иметь регламентированные механические свойства, физические и химические характеристики при наименьшем расходе металла.

Проблема производства качественных отливок была и остается самой важной задачей литейного производства. Разработка бездефектной литейной технологии -основная задача технолога, потому что только такая технология гарантирует заявленные конструктором эксплуатационные характеристики изделия.

Значительная часть отливок бракуется по причине возникновения таких дефектов, как трещины, коробление, пористость. Эти дефекты являются следствием ошибок при проектировании технологии или несоблюдения температурного режима затвердевания металла от момента его попадания в форму до окончательного охлаждения отливки в форме. Причиной ошибок проектирования во многом является то, что данная группа дефектов не имеет на сегодняшний день достаточного количества научно обоснованных методик их прогнозирования.

Температурный режим охлаждения отливки может определяться рядом технологических параметров, в частности геометрической формой отливки, расположением литников, и прибылей, температурой заливки, наличием холодильников, свойствами формовочных материалов и красок и т. д. Литье — один из способов изготовления детали, который предоставляет возможность реализации разнообразных технологических режимов формирования материала. Найти правильное сочетание технологических параметров непросто, так как область бездефектной технологии достаточно узка. Традиционный метод освоения литейной технологии - натурный эксперимент обходится очень дорого и не всегда возможен.

Компьютерное моделирование на базе математических моделей давно стало универсальным и эффективным инструментом в руках технолога, но ввиду высокой трудоемкости численных методов, используемых в моделирующих системах, время оптимизации технических решений остается достаточно большим.

Таким образом, актуальной является проблема разработки системы автоматизации проектирования параметров, оказывающих влияние на охлаждения отливки, с менее затратными алгоритмами оптимизации и математическими моделями, но без потерь адекватности. Разработка подобной САПР позволит повысить скорость и эффективность предупреждения дефектов, связанных с температурным режимом охлаждения отливки, свести к минимуму процедуру параметрического синтеза и высвободить время технолога для решения действительно творческих задач.

Цель работы: Разработка системы автоматизации проектирования технологических параметров литья, оказывающих влияние на процесс охлаждения отливки в форме.

Объект исследования: Процесс проектирования технологии литья.

Предмет исследования: Синтез технологических параметров литья, оказывающих влияние на процесс охлаждения отливки.

Задачи работы:

1. Обосновать критерий эффективности воздействий на процесс охлаждения отливки.

2. Разработать методику синтеза технологических параметров литья, оказывающих влияние на процесс охлаждения отливки.

3. Разработать математическую модель обратной задачи охлаждения отливки, учитывающую теплофизические характеристики металла отливки, материала формы и объекты воздействия на процесс формирования отливки.

4. Разработать алгоритмы и создать систему автоматизации проектирования технологических параметров литья, оказывающих влияние на процесс охлаждения отливки.

Научная новизна работы:

Разработана методика синтеза параметров, оказывающих влияние на процесс охлаждения отливки.

Сформулировано решение обратной задачи охлаждения отливки на базе метода конечных элементов.

Модернизирован алгоритм метода граничной коррекции объемных областей.

Разработан алгоритм визуализации результатов моделирования.

Разработана физическая модель базы данных теплофизических характеристик материалов.

Практическая ценность работы заключается в разработке системы автоматизации проектирования технологических параметров, оказывающих влияние на процесс охлаждения отливки, «Отливка +».

Реализация работы состоит во внедрении САПР «Отливка+» в процесс технологической подготовки производства отливок на ФГУП ОмПО «Иртыш».

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Мальгавко, Дмитрий Сергеевич

Выводы

В диссертационной работе предложено решение задач повышения эффективности предупреждения дефектов, связанных с температурным режимом затвердевании и охлаждения отливки. Автоматизация предложенной методики, алгоритмов и математических моделей позволила оптимизировать процесс автоматизированного проектирования технологии литья, повысить эффективность процедур моделирования, дала возможность предупреждения дефектов, связанных с температурным режимом затвердеванием и охлаждением отливок еще на этапе проектирования технологии, что позволило сократить затраты на проектирование и отладку технологии.

В качестве основных результатов можно выделить:

1. Анализ методик и средств моделирования и проектирования технологий производства отливок, принципов затвердевания и охлаждения отливок позволил обосновать критерий эффективности воздействий на процесс охлаждения отливки в виде разности температур самых горячих и самых холодных точек отливок.

2. Разработанная методика автоматического синтеза параметров, оказывающих влияние на процесс охлаждения отливок, позволила снять с пользователя функцию параметрического синтеза.

3. Разработанная и экспериментально подтвержденная математическая модель решения обратной задачи охлаждения отливки может использоваться в процедурах моделирования процессов литья.

4. Модернизация алгоритма метода граничной коррекции объемных областей позволила увеличивать плотность узлов на границе отливка-форма.

5. Разработанные алгоритмы визуализации позволяют представлять результаты моделирования процесса охлаждения отливки в цветовой графике.

6. Разработанная САПР «Отливка+» позволяет проектировать параметры технологи литья для создания условий оптимального охлаждения отливок в форме.

7. Внедрение САПР «Отливка+» в процесс технологической подготовки производства отливок на ФГУП ОмПО «Иртыш» принесло ежегодный экономический эффект в размере 80 тыс. руб.

Внедрение разработанной автором система автоматизации проектирования в производство позволит повысить качество разрабатываемых технологий, что, несомненно, приведет к снижению затрат на производство литых изделий и повышению качества выпускаемой продукции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мальгавко, Дмитрий Сергеевич, 2011 год

1. Алифанов О.М. Идентификация процессов теплообмена летательных аппаратов. — М. : Машиностроение, 1979. 216 с.

2. Алифанов О.М. О состоянии и перспективах развития обратных задач теплообмена в исследовании тепловых процессов и проектирования технических систем. Минск, 1977. - 14 с.

3. Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена. — М. : Машиностроение, 1988. -280 с.

4. Алифанов О.М. Экспериментальные методы решения некорректных задач / О.М. Алифанов, Е.А. Артюхин, C.B. Румянцев. М. : Наука, 1988. - 288 с.

5. Анисович Г.А. Охлаждение отливки в комбинированной форме. -Машиностроение, 1969. 136 с.

6. Антушев Г.С. Методы параметрического синтеза сложных технических систем. -М. : Наука, 1989. 88 с.

7. Баландин Г.Ф. Основы формирования отливки. 4.1. Тепловые основы теории. Затвердевание и охлаждение отливки. М.: Машиностроение, 1976. - 328 с.

8. Барановский Э.Ф. Идентификация теплообмена при литье металлов и сплавов / Э.Ф. Барановский, П.В. Севастьянов. Мн. : Наука и техника, 1989. - 189 с.

9. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М. : Наука, 1987.-600 с.

10. Бек Дж. Некорректные обратные задачи теплопроводности. М: Мир, 1989. -312 с.

11. Берзинь В.А. Оптимизация режимов затвердевания непрерывного слитка. Рига : Зинатне, 1977. - 148 с.

12. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М: Машгиз. - 1963. - 232 с.

13. Бойченко М.С. Непрерывная разливка стали / М.С. Бойченко, B.C. Рутес, В.В. Фульмахт. М. : Металлургия, 1964. - 517 с.

14. Боли Б.А., Уэйнер Д.Х. Теория температурных напряжений. М.: Мир, 1964. -517 с.

15. Борисов В.Т., Голиков И.Н., Манюхин А.И., Уразаев P.A. Непрерывная разливка стали. МЧМ СССР. - 1974. - № 2. - С. 5 - 29.

16. Бялик О.М., Ментковский Ю.Л. Вопросы динамической теории затвердевания металлических отливок. К.: Вища школа, Головное изд-во, 1983. - 111 с.

17. Вейник А.И. Теория затвердевания отливки. М.: Машгиз, 1963. - 435 с.

18. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. М.: Наука, 1984. - 320 с.

19. Галанин М.П., Щеглов И.А. Разработка и реализация алгоритмов трехмерной триангуляции сложных пространственных областей: итерационные методы. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, 2006. - 32 с.

20. Галанин М.П., Щеглов И.А. Разработка и реализация алгоритмов трехмерной триангуляции сложных пространственных областей: прямые методы. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, 2006. - 32 с.

21. Гиршович Н.Г. Чугунное литье. М.: Металлургиздат, 1949. - 708с.

22. Голод В.М. Интеграция средств анализа и синтеза в САПР литейной технологии «POLYCAST» литейного завода КАМАЗ. Литейное производство. - 1994. - №10-П. С. 44-47.

23. Голод В.М. Металлургические технологии в машиностроении: динамика последних десятилетий и резервы роста. ,- Металлургия машиностроения. — 2001, №1.

24. Голод В.М. Проблемы оптимизации питания отливок / Сб. «Теплофизика процессов затвердевания стали» Киев : Институт проблем литья, 1979.

25. Голод В.М. Системы автоматизированного моделирования: информационное обеспечение и адаптация математических моделей. Литейное производство. -1992.-№6.-С. 23-25.

26. Голод В.М. Теория формирования отливки: очевидные достижения и неочевидные проблемы. Литейное производство. - 2001. - № 6. - С. 21 - 23.

27. Голод В.М. Теория, компьютерный анализ и технология стального литья / В.М. Голод, В.А. Денисов. СПб.: ИПЦСПГУТД, 2007. - 610 с.

28. Голод В.M., Дьяченко С.А. Численный расчет затвердевания чугунных отливок / Сб. «Кристаллизация. Теория и эксперимент» Ижевск: УлГУ, 1987. - С. 26 - 33.

29. Голод В.М., Нехендзи Ю.А. Определение некоторых теплофизических свойств по кривым охлаждения / Сб. «Теплообмен между отливкой и формой» Минск: Высшая школа, 1967. - С. 179 - 183.

30. Голод В.М., Тихомиров М.Д., Сабиров Д.Х. Системный анализ процесса формирования отливки (прикладные аспекты). Литейное производство. - 1995, № 4-5, С. 68.

31. Громадка И.Т. Комплексный метод граничных элементов в инженерных задачах / И.Т. Громадка, Ч. Лей. М. : Мир, 1990. - 303 с.

32. Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов Л. : Машиностроение, 1976. - 216 с.

33. Евтеев Д.П., Колыбалов И.Н. Непрерывное литье стали. М. : Металлургия, 1984. - 200 с.

34. Евтеев Д.П., Соколов Л.А., Лебедев В.И. Сталь. - 1975. - № 1, С. 32 - 34.

35. Журавлев В.А., Китаев Е.М. Теплофизика формирования непрерывного слитка. -М. : Металлургия, 1974. 216 с.

36. Иванцов Г.П., Поляк Б.Т. Кристаллизация металлов. М. : АН СССР, 1960. - С. 139- 149.

37. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М. : Наука, 1964. - 488 с.

38. Клочнев Н.И., Стрижов Г.С. Исследование остаточных (литейных) напряжений в высокопрочном чугуне. Металловедение и обработка металлов. — 1957. — № 1.

39. Коздоба JI.А. Методы решения обратных задач теплопереноса / JI.A. Коздоба, Н.Г. Круковский П.Г. Киев : Наук. Думка, 1982. - 360 с.

40. Константинов JI.C. Механизм возникновения температурных напряжений и деформаций в отливках. Литейное производство. - 1963. - № 11. - С. 25 — 32.

41. Константинов Л.С. Расчет термических напряжений и деформаций отливок постоянного сечения (метод подвижной нейтрали). Литейное производство. -1959.-№ И.

42. Коцюбинский О.Ю. Коробление чугунных отливок от остаточных напряжений -М.: Машиностроение, 1965. 174 с.

43. Кропоткин В.В., Васькин В.В, Компьютерные модели кристаллизации металлических сплавов. Литейное производство. — 1996. - № 10.

44. Куманин И.Б. Вопросы теории литейных процессов. М. : Машиностроение, 1976.-216 с.

45. Курдюмов A.B., Пику нов М.В., Чурсин В.М. Литейное производство цветных и редких металлов. М. : Металлургия, 1983. - 352 с.

46. Кучин П.С. Математическое моделирование процессов литья металлов и сплавов. Литейное производство. - 2008. - № 10. - С. 37 - 39.

47. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М. : Машиностроение, 1980. -493 с.

48. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). СПб.: Питер, 2004. - 560 с.

49. Мальгавко Д.С. Использование моделирующей системы при разработке технологического процесса литья / материалы 10-й Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» Пенза, 2009. - 292 с.

50. Мальгавко Д.С. Компьютерная программа синтеза параметров технологии литья на основе обратного моделирования / материалы 5-й Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в машиностроении» Пенза, 2009.- 176 с.

51. Мальгавко Д.С. Моделирование условий равномерного охлаждения отливки / материалы 7-й Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» Омск, 2009. - 452 с.

52. Мальгавко Д.С. Обратное моделирование технологии литья. — Омский научный вестник. 2009. - № 1. - С. 26 - 27.

53. Мальгавко Д.С. Расчет средств воздействия на основе обратного моделирования затвердевания отливки / сборник трудов Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» М. : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 220 с.

54. Мальгавко Д.С. Синтез параметров технологии литья на основе обратного моделирования процесса охлаждения отливки в форме. Автоматизация в промышленности. - 2009. -№ 8. - С. 41- 43.

55. Мацевитый Ю.М. Идентификация в задачах теплопроводности / Ю.М. Мацевитый, А.В Мултановский. Киев : Наук. Думка, 1982. - 240 с.

56. Монастырский A.B. ProCAST 2009.0. Что нового?. Литейное производство. -2009.-№4.-С. 19-20.

57. Монастырский A.B. Моделирование литейных процессов. Работаем в ProCAST. Литейное производство. - 2009. - № 2. - С. 29 - 34.

58. Монастырский В.П. Моделирование напряженно-деформированного состояния отливки при кристаллизации. Литейное производство. - 2007. - № 8. - С. 45 - 47.

59. Мяченков В.И., Мальцев В.П., Майборода В.П. и др. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов. М. : Машиностроение, 1989. - 520 с.

60. Неуструев A.A. Разработка САПР технологических процессов литья / A.A. Неуструев, A.B. Моисеев, А.Ф. Смыков. М.: ЭКОМЕТ, 2005. - 216 с.

61. Неуструев A.A. Теория формирования отливки и САПР ЛТ литья, 1997, №11

62. Нехендзи Ю.А. Стальное литье М.: Металлургиздат, 1948. - 766 с.

63. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. М. : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 333 с.

64. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. М. : Мир, 1981. -304 с.

65. Огородникова О.М. Компьютерное моделирование горячих трещин в литых деталях. Литейное производство. - 2007. - № 2. - С. 27 - 30.

66. Огородникова О.М. Прогнозирование кристаллизационных трещин в стальных отливках. Литейное производство. - 2008. - № 10. - С. 29 - 34.

67. Огородникова О.М., Черменский В.И. Литейные CAE-системы AFSolid и WinCast. САПР и Графика. - 2001. - № 8.

68. Озеров В.А. Основы литейного производства. М. : Высшая школа, 1987. - 304 с.

69. Омельченко К.Т., Пчелкин В.Г. ИФЖ. - 1975. - Т. 29. - № 1.

70. Оно А. Затвердевание металлов. М. Металлургия, 1980. - 147 с.

71. Рутес B.C., Аскольдов В.И., Евтеев Д.П. и др. Теория непрерывной разливки. -М. : Металлургия, 1976. 335 с.

72. Рыжиков A.A. Теоретические основы литейного производства. М. : Свердловск Машгиз, 1961. - 447 с.

73. Рысев М.А. Системы компьютерного моделирования литейных процессов. -Литейное производство. 2001. -№1.-С.28-29.

74. Сабонадьер Ж.К. Метод конечных элементов и САПР / Ж.К. Сабонадьер, Ж.Л. Кулон. М. : Мир, 1989. - 190 с.

75. Самарский A.A. Теория разностных схем. М.: Наука, 1989.

76. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М. : Мир, 1979. - 392 с.

77. Сладкоштеев В.Т., Ахтырский В.И., Потанин Р.В. Качество стали при непрерывной разливке. М.: Металлургия, 1964. - 174 с.

78. Соболев В.В., Трефилов П.М. Оптимизация тепловых режимов затвердевания расплавов. Красноярск, 1986. - 154 с.

79. Соболев В.В., Трефилов П.М. Процессы тепломассопереноса при затвердевании непрерывных слитков. Красноярск, 1984.

80. Соболев В.В., Трефилов П.М. Теплофизика затвердевания металла при непрерывном литье. М. : Металлуглия, 1988. - 160 с.

81. Справочник по чугунному литью / под ред. Н. Г. Гиршовича. — JI. : Машиностроение, 1978. 758 с.

82. Тихомиров М.Д. Модели литейных процессов в САМ ЛП «Полигон» / Сб. науч. тр. ЦНИИМ «Литейные материалы, технология, оборудование» СПб, 1995. - С. 21 -26.

83. Тихомиров М.Д. Модели литейных процессов в СКМ ЛП «Полигон» / Сборник трудов ЦНИИМ «Литейные материалы, технология, оборудование» СПб., 1995. -85 с.

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

85. Тихомиров М.Д. Основы моделирования литейных процессов. Усадочная задача.