Автоматическая генерация конечно-элементной сетки в литейном моделировщике WinCast

Ольга Огородникова, Сергей Маталасов

Роль компьютерного моделирования в прогнозировании качества отливки

О программе WinCast

Стратегия конечно-элементного моделирования

Процедура генерации конечно-элементной сетки в программе WinCast

Расчетные возможности программы WinCast

Компьютерные системы инженерного анализа стали доступными для использования в повседневной практике. В настоящее время они позволяют сэкономить время и материальные ресурсы, способствуя быстрому поиску верного технологического решения. Конечно-элементные методы успешно применяются во многих инженерных дисциплинах. В частности, использование конечно-элементного анализа в литейном производстве практически полностью исключает затратный метод проб и ошибок при получении бездефектных отливок. Коррекция ошибок переносится на предпроизводственную стадию. Важное преимущество предприятие также получает, используя компьютерные системы моделирования технологий с целью наглядного обучения молодых специалистов, которые виртуально набирают опыт борьбы с браком.

Роль компьютерного моделирования в прогнозировании качества отливки

Стремление полностью или хотя бы частично заменить субъективный эмпирический опыт научными методами поддерживается все возрастающим требованием финансовой эффективности литейного производства и необходимостью получать отливки высокого качества. Компьютерное моделирование позволяет достичь положительных результатов в сжатые сроки: анализ напряженно-деформированного состояния литой заготовки и расчет параметров, обусловливающих характер затвердевания, позволяют оптимизировать технологические процессы на стадии проектирования.

Использование компьютерного моделирования способствует пониманию проектировщиками тонкостей литейных процессов, от которых зависит качество детали. Поэтому прогрессивные предприятия будут включать системы моделирования в свой план развития. Анализ, проведенный на стадии проектирования, является важным звеном, обеспечивающим оптимизацию производственных расходов. Устраняются дорогостоящие литейные браки, неизбежные при отработке технологии в цеховых условиях. Сокращаются сроки разработки продукции.

При сложившейся производственной практике выбор литниково-питающей системы, подвода, системы охлаждения зачастую осуществляется на основе больших практических наработок и представляет собой ноу-хау отдельно взятого литейного завода. Информация, накопленная на одном предприятии, закрыта для других, поскольку обеспечивает его успешную работу и благосостояние. Использование компьютерных программ снижает значимость практических знаний, предоставляя возможность сравнить большое количество вариантов технологий на компьютере и выбрать оптимальную технологию, не прибегая к затратным экспериментам в цехе.

Компьютерное моделирование становится предельно эффективным в случае крупногабаритных отливок, позволяя без технологических ошибок, с минимальными материальными затратами, в сжатые сроки получить готовые изделия; также важно компьютерное моделирование для тех деталей, натурное испытание которых по каким-либо причинам невозможно.

О программе WinCast

Конечно-элементная программа для моделирования литейных процессов WinCast создана немецкой фирмой RWP GmbH и поддерживается ведущей западногерманской школой металлургов Аахенского университета; при инсталляции под ОС UNIX программа носит название Simtec.

WinCast состоит из нескольких программных модулей, которые запускаются в работу независимо, последовательно или параллельно, и обеспечивают подготовку данных, вычисление и представление результатов расчета. Модульная структура дает пользователю возможность выборочно работать только с теми модулями, которые необходимы для решения частной текущей задачи. В различных модулях WinCast проводит гидродинамический и тепловой анализы процессов заполнения расплавленным металлом формы и последующего затвердевания, рассчитывает остаточные напряжения и коробление отливки, а также прогнозирует микроструктуру и распределение фаз и, как следствие, распределение механических свойств.

Анализу могут быть подвергнуты практически любые литейные технологии, проблемы и материалы.

Точность тепловых расчетов обеспечивается верной аппроксимацией поверхностей конечными элементами и учетом температурной зависимости свойств сплавов и вспомогательных материалов. Надежность гидродинамического и прочностного анализов гарантирована совместным расчетом температурных полей на одной и той же конечно-элементной (КЭ) пентаэдрической сетке с высоким уровнем регулярности. Генерация точной конечно-элементной сетки для 3D-геометрии любой сложности, построенной во внешней CAD-системе или с помощью собственных средств программы, обеспечивает получение верных инженерных прогнозов за короткое время.

Стратегия конечно-элементного моделирования

При тех огромных преимуществах, которые получает инженер, моделируя технологические процессы с помощью САЕ-систем, обоснованные нарекания у пользователей любых конечно-элементных программ вызывает процедура генерации сетки, которая требует особой квалификации и больших затрат времени.

Генерация конечно-элементной сетки определяет успех программы, моделирующей литейные процессы. Существует несколько способов разбиения объемных геометрических моделей на дискретные области.

WinCast использует стратегию последовательного разбиения трехмерных объектов на конечные элементы в нескольких 2D/3D-слоях, которые создаются заданными горизонтальными секущими плоскостями. Конечными элементами в системе WinCast являются призмы, любые углы которых пользователь может изменять с целью аппроксимации сложных геометрических поверхностей. Вариации углов призмы достигаются изменением координат X и Y узлов в секущих плоскостях, а также Z-координат узлов в пределах слоя. Число узлов является константой для всех плоскостей (уровней) сетки и может изменяться одновременно для всех плоскостей модели. Число призм одинаково в каждом слое, размеры призм в Z-направлении могут варьироваться. По окончании процедуры генерации поверхность созданной сеточной модели доступна для просмотра в рабочем окне как в сглаженном виде, так и в дискретизированном.

Преимущества метода, используемого системой WinCast, заключаются в следующем:

1. По сравнению с тетраэдрическими сетками. При расчете монотонно изменяющихся параметров, таких как температура, значения свойств присваиваются объемному элементу. Между тем высокие температурные градиенты на границе материалов могут быть эффективно смоделированы только посредством тонких оболочек типа «луковой шелухи». Это требование не может быть выполнено в тетрагональной сетке, которая используется, например, в программе ProCast.
2. По сравнению с фиксированными сетками. Излучение тепла можно вычислить в направлении, перпендикулярном моделируемой поверхности. Сетки, составленные из фиксированных по форме ячеек, имеют в этом смысле ограничение, обусловленное предпочтительным направлением элементов. При использовании любой фиксированной сетки в конечном счете сталкиваются с ограничением по возможности верного отображения процессов. Одной из главных проблем таких сеток является большое количество элементов, необходимых для обеспечения точности расчетов. Решить эту проблему позволяют комплексные сетки, способные отображать малейшие нюансы конструкции при разбиении. Но даже комплексная сетка, обеспечивающая более детальное, но фиксированное разбиение вблизи сложных геометрических поверхностей, требует значительного времени для вычислений. Компьютерное моделирование заполнения формы и процессов отвердевания может занять несколько недель, и избежать значительных затрат расчетного времени при использовании фиксированных сеток не удается.

   С описанными проблемами сталкиваются пользователи при моделировании процессов на тетраэдрических сетках. По этой причине дальнейшее развитие алгоритмов, основанных на тетраэдрической сетке, представляется проблематичным.

3. По сравнению с конечно-разностными сетками. Еще менее точным является расчет динамики потоков на кубических элементах в методе конечных разностей, который использует, например, программа Magma. Адекватный прочностной анализ возможен только на конечно-элементных сетках. Область применения конечно-разностных сеток в развивающихся тяжелых системах моделирования будет сокращаться. С введением новых служебных функций, приближающих моделируемые процессы и технологии к сложным реальным проблемам, конечно-разностные методы, заложенные в основу таких программ, как Magma и PamCast, окажутся неконкурентоспособными.

Большое преимущество препроцессора WinCast — гибкость. Используя малое число элементов, программа обеспечивает точное отображение геометрии и малое расчетное время; доступна автоматическая генерация сетки. Компания RWP в настоящее время активно работает над улучшением алгоритмов полуавтоматической и автоматической генерации; в последней версии разработчики системы WinCast предлагают новый, улучшенный алгоритм автоматической генерации конечно-элементной сетки. Оригинальность и простота метода обеспечивает разбиение на элементарные объемы любой геометрической модели независимо от сложности и деталировки поверхностей.

Процедура генерации конечно-элементной сетки в программе WinCast

Алгоритм генерации конечно-элементной сетки, разработанный немецкими специалистами, отличается от американских аналогов тем, что гарантирует создание сеточной модели для любой геометрии. Дальнейшее редактирование сетки и создание различных вариантов литниково-питающей системы возможны в режиме прямого доступа к управлению координатами расчетных узлов через превосходно организованный графический интерфейс. Созданные сеточные модели сохраняются и экспортируются в форматы STL, IGES, VDA, PATRAN. Возможность непосредственно редактировать сетку, задавая число, размер и форму элементов — очевидное преимущество программы, влияющее на счетное время основного процессора.

Трехмерная модель отливки и элементов литниково-питающей системы может быть создана во внешней CAD-системе, ориентированной на точное построение сложных поверхностей, например в PowerSHAPE. Затем в формате STL объемная модель передается в препроцессорный модуль ANG3D (рис. 1), где производится разбиение объема на 5-гранные призмы. Геометрический модуль ANG3D используется в интерактивном режиме для конвертирования геометрии в конечно-элементную сетку, для автоматического построения сетки или редактирования уже построенной сеточной модели.

Процедура разбиения начинается с построения регулярной сетки, и первое приближение сетки создается разбиением исходной геометрической модели на параллельные горизонтальные слои, количество и частота которых могут быть заданы вручную (рис. 2).

Конечно-элементная модель может быть графически представлена в рабочем окне как сетка, составленная из сопрягающихся призм в Z-направлении (рис. 3). Достигается настолько точная аппроксимация поверхностей гранями конечных элементов, что визуализация сеточной модели без вывода на графическом изображении границ элементов мало отличается от представления в рабочем окне исходной геометрической модели (рис. 4).

Слои, полученные сечением исходной геометрии STL или VDA, сохраняются в файл и могут быть по мере необходимости многократно импортированы. Препроцессор позволяет редактировать слои, проверять их на потенциальные ошибки прерывания, закрывать, изменять многократно и сохранять для дальнейшего использования. В том слое, где контуры имеют наиболее сложный вид, запускается автоматическое разбиение сетки вдоль контуров. Оптимальное число узлов и треугольников автоматически определяется на основании анализа полигонов в других сечениях. Полученное разбиение последовательно транслируется в остальные слои, где автоматически трансформируется, следуя линиям контуров. Таким образом формируются цепочки узлов в Z-направлении.

В параллельных плоскостях xoy на начальном этапе располагаются треугольные грани призматических элементов (рис. 5); в дальнейшем Z-координаты всех узлов варьируются с целью точного приближения сеточных граней к описываемым поверхностям.

Эта процедура осуществляется с КЭ-сетками, созданными в препроцессоре или внешней программе. Данный метод может быть использован для построения трехмерной КЭ-модели вручную. Построение трехмерной КЭ-сетки вручную предполагает:

• свободное построение сеточной модели в режиме генерации сетки;
• проектирование новой детали;
• поиск возможных ошибок, способных вызвать сбои при расчетах, непосредственно при построении сетки;
• использование при построении чертежа или эскиза; оцифрованные контуры могут быть преобразованы в КЭ-модель.

Расчетные возможности программы WinCast

Программа WinCast позволяет моделировать следующие виды литейных технологий:

• в песчано-глинистые формы;
• в кокиль;
• оболочковое;
• по выплавляемым моделям;
• под высоким давлением;
• под низким давлением;
• центробежное;
• гравитационная заливка;
• с наклоном и поворотом формы при заполнении;
• непрерывное.

Точная информация о характере заполнения формы и затвердевания, полученная с помощью модельных расчетов, дает реальную возможность предотвратить появление дефектов в отливке, обусловленных как конструкцией детали, так и выбранной литниково-питающей системой.

Результаты имитации процессов затвердевания позволяют количественно оценить распределение внутренних изолированных объемов расплавленного металла и связанной с такими зонами некомпенсируемой усадки. Развитие процессов затвердевания может быть отражено графически (рис. 6). В тех изолированных зонах, где внешнее подпитывание по каким-либо причинам затруднено, следует ожидать появления дефектов. Дальнейшее вычисление параметров, описывающих характер дефектов в зависимости от типа сплава, позволяет получить более конкретные сведения (рис. 7) о характере выявленных дефектов и их значимости. Не все дефекты отливки выявляются наглядно в ходе компьютерной имитации технологических процессов, но, опираясь на температурно-временные зависимости расчетных параметров и выявленный характер заполнения формы расплавом, можно определить источники образования дефектов и устранить их до передачи проекта в производство.

Моделируемые процессы:

• турбулентные потоки при заполнении;
• температурный режим и устойчивость формы;
• выход на стабильный температурный режим;
• размер зерен и распределение фаз;
• напряженно-деформированное состояние отливки и формы;
• остаточные напряжения (рис. 8) и поводка;
• газовая пористость;
• имитация эксплуатационных режимов нагружения деталей — статическое и циклическое нагружения.

Дополнительную информацию смотрите на сайтах: http://cae.dax.ru/ и http://www.delcam-ural.ru/.

«САПР и графика» 7'2002