Литейные САЕ-системы AFSolid и WinCast
В литейном производстве, которое является важным звеном в обеспечении качества машиностроительной продукции, сегодня приходится полагаться в основном на практический опыт квалифицированных технологов, добивающихся положительных результатов при отработке сложных технологий методом проб и ошибок. Использование специалистами главным образом эвристических приемов при решении технологических задач ведет к значительным затратам времени и материальных ресурсов. Чтобы получить бездефектную отливку, интуитивно приходится учитывать роль многих факторов в литейных процессах — таких, как литейный сплав и его свойства, геометрия отливки и ее расположение в форме, геометрия литниковой системы, температура расплава и скорость заполнения расплавом формы, материал формы и ее предварительный прогрев, управление скоростью теплопередачи через внутренние и внешние поверхности посредством холодильников, покрытий, утеплителей и т.д. Опытные инженеры владеют огромным объемом эмпирической информации об удачных и неудачных попытках получения отливок. И в каждом отдельном случае обучение высококвалифицированного инженера на собственных ошибках дорого обходится предприятию.
Современные программы компьютерного моделирования литейных технологий, основанные на физических теориях тепловых, диффузионных, гидродинамических и деформационных явлений, способны адекватно имитировать многие процессы, происходящие при заполнении расплавом формы, при кристаллизации многокомпонентного сплава и дальнейшем охлаждении отливки. Наиболее известные отечественные и зарубежные системы приведены в табл. 1. Программы различаются функциональными возможностями и типом генерируемой сетки (то есть способом разбиения геометрической модели на элементарные объемы для дискретного решения дифференциальных уравнений теплопроводности и иных задач), а следовательно, имеют различную стоимость.
Мы провели сравнительный анализ двух программных пакетов — AFSolid и WinCast, выбрав их по принципу «приемлемая стоимость плюс надежность расчетов по основным параметрам». Принципиальное различие рассматриваемых программ заключается в генерации сетки, что накладывает отпечаток прежде всего на модульную структуру программы и распределение рабочего времени технолога. Важным мы посчитали тот факт, что AFSolid — абсолютный мировой лидер по количеству инсталляций, их более 300. WinCast имеет меньше инсталляций, но больше функциональных возможностей, что делает программу дороже. Моделированию в двух системах была подвергнута инварная деталь (рис. 1), отливаемая в кокиль, — жидкий металл подается через шесть питателей под прибыль. Результаты сравнения систем при моделировании инварной отливки приведены в табл. 2.
Препроцессор
Импорт геометрии
Можно быстро и точно построить трехмерную модель отливки в любой CAD-системе (SolidWorks, PowerShape и т.п.), а затем импортировать в литейный имитатор в формате STL. Для моделирования и экспрессного редактирования формы и литниковой системы можно воспользоваться встроенными средствами САЕ-системы.
 |
|
Генерация сетки
AFSolid использует метод конечных разностей, что требует большого количества элементов разбиения и дискового пространства для записи рабочих файлов, однако сам процесс генерации сетки предельно прост, проводится программой автоматически (рис. 2) и не требует от пользователя высокой квалификации. При этом разбиение пространства на элементарные объемы не вызывает никаких сбоев и ошибок, требующих затем многочисленных исправлений в ручном режиме. Максимальное количество элементов сетки лимитируется объемом оперативной памяти и составляет 5 млн. при 128 Mбайт ОЗУ, 20 млн. при 512 Mбайт ОЗУ. Это количество расчетных точек обеспечивает достаточную локальность анализа — до 1 мм.
WinCast использует метод конечных элементов, позволяющий меньшим количеством элементов точно описать поверхность (рис. 3). Однако генерация конечно-элементной сетки требует от пользователя высокой квалификации, а преимущество точного описания поверхности достигается длительным построением геометрии, что, как правило, требует нескольких часов кропотливой работы. Разбиение слоев на элементарные призмы можно проводить в автоматическом режиме, но геометрические ошибки, возникающие при этом в большом количестве, приходится исправлять вручную. И если для решения тепловой задачи фатальные сбои сетки исправить удается, то модуль расчета напряжений более требователен к качеству сетки (привести размерные соотношения всех элементов к расчетным требованиям данного модуля сложно). Быстрее будет изначально вручную сформировать каждый слой, пользуясь предварительно вычисленными сечениями геометрии.
Резюме. Генерация конечно-разностных сеток своей простотой и надежностью делает использующие данный метод программы привлекательными для экспрессного анализа заводскими технологами.
|
|
Свойства сплавов и материалов
AFSolid имитирует поведение при кристаллизации различных сплавов. В частности, программа автоматически строит для чугуна кинетические кривые объемных и температурных изменений в интервале кристаллизации в зависимости от формы графитных включений, а также от содержания углерода и кремния. Предварительно задаются значения критерия Нийама и критического объема твердой фазы; эти два параметра лимитируют образование пористости и характеризуют изоляцию локальных микрообъемов вследствие перекрытия междендритных каналов или затрудненного движения расплава в двухфазной зоне. Лицензионный пользователь получает рекомендации по определению критериев изоляции для различных сплавов.
WinCast использует базу данных свойств сплавов в виде текстовых файлов, что упрощает процедуру редактирования свойств. Изменение или дополнение данных производится в текстовом редакторе независимо от рабочего состояния программы. Основные теплофизические характеристики материалов приводятся как табличные функции температуры.
Резюме. Все разработчики литейных имитаторов сопровождают свои программы достаточно полными базами данных — как по литейным сплавам, так и по вспомогательным материалам (форма, стержни, холодильники и т.п.). Техническая поддержка программ AFSolid и WinCast предполагает бесплатное предоставление пользователям информации о свойствах материалов, не вошедших в базу данных. Базы данных можно редактировать и дополнять.
|
|
Процессор
Заполнение формы металлом
AFSolid имитирует свободную заливку металла (течение расплава анимировано) и распределение температур в текущем расплаве (осуществляется визуально по цветовой шкале от темно-синего до ярко-желтого). Одновременно в цифровом виде выводится информация о минимальной и максимальной температуре в текущий момент времени (рис. 4).
WinCast состоит из нескольких независимых программных модулей, способных передавать последовательно результаты расчетов с выхода одного модуля на вход другого. Модуль тепловых расчетов, принимая геометрию в виде сетки из геометрического модуля, в первую очередь имитирует заливку металла (рис. 5) и вычисляет маршрут потоков и температурные поля. Визуальное представление заливки анимировано.
Резюме. AFSolid имеет развитой гидродинамический блок, который точнее просчитывает маршрут течения расплава и распределение температурных полей, а также позволяет выявить проблемы непроливаемости (рис. 6). WinCast дифференцирует свободную заливку, заполнение под низким или высоким давлением, центробежное литье, используя для разных способов заливки различные физические модели. Обе программы способны учитывать угол наклона формы как при заливке, так и при кристаллизации.
|
|
Затвердевание металла
AFSolid запоминает распределение температуры после заполнения расплавом формы и с него начинает расчет температурных полей при дальнейшем охлаждении. Одновременно вычисляется объемная усадка. Имитация процессов затвердевания автоматически начинается вслед за гидродинамическими расчетами и представляет собой единый вычислительный процесс.
WinCast рассчитывает температурные поля в отдельном модуле. Затем результат расчета температуры можно передать в модуль расчета напряженных состояний или в модуль структурного анализа, где определяется распределение по объему стальной отливки феррита и перлита и, как следствие, твердости металла.
Резюме. С целью получения качественной отливки при моделировании можно изменять следующие условия и параметры: размер прибылей, форму прибылей, количество прибылей, положение прибылей, положение питателей, скорость заливки, геометрию отливки, температуру расплава, температуру предварительного нагрева кокиля, холодильники, системы охлаждения, условия теплоотдачи за счет флюсов или утепляющих прослоек и др.
До недавнего времени работа строилась таким образом, что после внесения изменений следовало снова провести моделирование с новыми параметрами или новой геометрией отливки, или новой литниковой системой, а затем, получив результаты расчетов, сравнить их с предыдущими, чтобы выбрать наилучший вариант. AFSolid сейчас трансформируется в принципиально новый программный продукт — SolidCast, который позволяет сделать такое сравнение автоматически в пакетном режиме и оптимизировать литниковую систему по заданным критериям качества отливки.
|
|
Постпроцессор
AFSolid по окончании расчетов позволяет визуально оценить качество отливки по ряду параметров, которые могут быть выведены в виде объемных изоповерхностей (рис. 7) или в сечении отливки (рис. 8). Комплексную оценку эффективности текущего технологического варианта можно провести по следующим расчетным параметрам: температура (только в отливке и литниковой системе или распределение температурных полей по всей форме), время достижения точки солидус, температурный градиент, скорость охлаждения, плотность металла, критерий Нийама, критический объем твердой фазы, горячие пятна, а также по иным критериям, заданным пользователем.
WinCast представляет результаты расчетов в отдельном постпроцессорном модуле, куда передаются данные из модулей теплового (рис. 9, 10), прочностного и структурного анализа.
Резюме. Опыт показывает, что при всех работах по моделированию литейных технологий, выполненных с помощью AFSolid, программа обеспечивает точное совпадение расчетных результатов с реальной картиной, наблюдаемой на практике.
Механизм образования трещин в инварной отливке был выявлен в результате моделирования напряженного состояния с помощью программы WinCast. Причиной нерегулярного появления осевых трещин может быть допускаемый наклон формы на несколько градусов, что втрое увеличивает термические напряжения в нижней части отливки при прохождении температурного интервала 600-800 ОС.
«САПР и графика» 8'2001
