Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody

Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody Automation Control, Computer Simulation, Computing Methods

Hutnické listy č.1/2012, roč. LXV ISSN 0018-8069

automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody Simulace defektů při výrobě vysoce kvalitních litinových přepážek pomocí metody MKP v programu ProCAST Simulation of Defects at Production of High Quality Cast Iron Partitions Using the FEM Simulation Software ProCAST Ing. Jiří Šimeček, Západočeská Univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Ing. František Hirsch, MECAS ESI s.r.o., Plzeň, doc. Dr. Ing. Antonín Kříž, Západočeská Univerzita v Plzni, Fakulta strojní

V současné době je modelování pomocí MKP (metody konečných prvků) jednou z nejprogresivnějších metod pro řešení celé řady problémů, od návrhu až ověření a životnosti a spolehlivosti konstrukce, po problematiku proudění a dalších odvětví konstrukční činnosti. Pomocí MKP lze velmi efektivně řešit i problémy technologického rázu, kde se často vyskytují úlohy, které lze jen velmi obtížně počítat pomocí analytických rovnic. V praxi je často nutno přikročit k použití praktických zkušeností získaných dlouholetou praxí a z toho vyplývajících empirických rovnic. Tyto experimentální výsledky však nelze využít všude a také je každý technolog nemusí mít k dispozici. V této práci byl řešen problém defektů vysokotlaké přepážky ze tvárné litiny GGG 50. Jako softwarový nástroj byl použit MKP programový balík ProCAST od fy. ESI Group. V tomto článku byl učiněn pokus vytvořit odlitek bez podstatných staženin a vnitřních vad, což je v praxi velmi obtížné zajistit. Dále byla v článku věnována pozornost faktu, že i přes značnou finanční náročnost MKP simulačních programových balíků je předpoklad, že se peníze do nich investované vrátí, neboť slévárna se bude moci zúčastnit i náročnějších projektů a je zde možnost vyřešení některých reklamací, jejichž finanční náročnost může dosahovat značné výše, někdy i více než by stálo pořízení simulačního softwaru a zaškolení obsluhy. Currently, FEM modeling is one of the most progressive methods for solving a wide range of issues, from design to verification, and design service life and reliability. FEM software can be very effectively used also for solving the problems of technological nature which are often very difficult to compute using analytical equations. In practice it is often necessary to use practical experience gained from many years of practise and the resulting empirical equations. These experimental results cannot be used everywhere. In this work the problem of defects in high-pressure bulkhead made of ductile cast iron GGG 50 was solved. FEM software ProCAST from the company ESI Group was used as a software tool. In this article an attempt was made to create a cast product without significant shrinkage and internal defects, which is in practice very difficult to ensure. Further, the article addressed the fact that despite high cost of FEM simulation software packages, it may be assumed that the money invested into this program can be usefull also for smaller foundries . It is assumed that company will be able to take part in demanding projects, and there is a possibility of resolving some claims, the financial cost of which may reach considerable amount, sometimes more than acquisition of simulation software and staff training would cost. používány zejména. Bylo nutno vyřešit problém staženin a pórovitosti odlitku vysokotlaké přepážky čerpadel vyrobené z tvárné litiny GGG 50. Tato přepážka je používána na tepelných elektrárnách v SRN. Přepážka je vyráběna ve více velikostech, ale defekty se

Řešený problém Při řešení problému nebylo známo mnoho údajů, které by byly potřebné pro vyřešení problémů, jako např: kde konkrétně a za jakých podmínek jsou tyto výrobky 18


Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody Automation Control, Computer Simulation , Computing Methods reklamace a víceprací, což výrobu velmi silně zdražilo až pod hranici rentability.

výrazně projevovaly pouze na řešené konkrétní velikosti. Toto je zřejmě zapříčiněno nepříznivým účinkem tepelného uzlu, který vznikne nutným technologickým napojením okrajového prstence se středem odlitku.

Analýza problému První myšlenkou byla penetrace obrobeného odlitku. Toto bylo zamítnuto vzhledem k tomu, že odlitek nebyl k dispozici, odběratel si surový odlitek odvezl a obrobil až na místě.

Díky těmto závadám bylo dokonce nutno omezit provoz jedné elektrárny. Problém, který tyto přepážky způsobovaly průsak a snížení tlaku mezi jednotlivými stupni vysokotlakých čerpadel.(Prosakování zvláště u odlitků z litiny lze obecně jen velmi obtížně zcela zabránit, jelikož si už z procesu lití nevyhnutelně přináší s sebou mikropórovitost. Tyto póry jsou v odlitém stavu skryty pod licí kůrou. Pokud není licí kůra porušena, odlitek propouštět nemusí. Avšak ve většině případů je nutno odlitky dále obrábět, zejména otvory pro namontování, dosedací plochy apod. Třískovým obrobením je tato kůra porušena a odlitek může prosakovat, pokud je provozován pod vysokým tlakem. S tímto se musí při provozu počítat. Pro konstrukci modelu byl k dispozici pouze výkres součásti a fotografie podobné formy.

Jelikož nebyly k dispozici téměř žádné údaje o skutečné vnitřní jakosti stavu odlitku, bylo přikročeno k řešení úpravy technologie pomocí simulace tuhnutí a vnitřní jakosti odlitku. Odlitek byl namodelován v 3d modeláři Autodesk Inventor. Na odlitku byly v 3d modeláři provedeny úpravy a to zakrytí otvorů. Nebylo totiž možno garantovat stabilitu jejich umístění při tuhnutí. Jediný otvor, u kterého byl předpoklad stability umístění ve formě, byl středový otvor. Dále byly přidány přídavky na obrábění na plochy, které budou obráběny a technologické přídavky a úkosy pro vyjmutí modelu z formy.

Obr. 1 Výkres obrobené součásti Fig. 1 Drawing of machined part

Obr. 2 Fotografie modelového zařízení Fig. 2 Picture Photo of pattern

Obr. 3 a. Původní model součásti b. Model s přídavky na obrábění, úkosy Fig. 3 a. Original model of the machined casting b. Model with technological modifications – allowances for machining and chamfers

V tomto případě ani nebyly k dispozici žádné údaje z jakého místa tento odlitek propouští. Odběratel si odlitky vždy ponechal a neshody vyřizoval formou 19

Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody Automation Control, Computer Simulation , Computing Methods


přesnost výpočtu, ale na druhé straně je výpočtová doba delší, čím většího počtu menších elementů bylo použito.

Podle dodaných fotografií a výpočtů byla namodelována i vtoková soustava. Modely byly převedeny do výměnného formátu STP.

V tomto ohledu je nutno přistoupit na rozumný kompromis a zvolit odpovídající velikost elementu. Pro pískovou formu je možno stanovit větší element, v tomto případě to bylo 50, jelikož zde nejsou řešeny podstatné otázky, jako je proudění. Pro odlitek byla použita základní velikost elementu 8 a pro oblasti citlivé na řešení proudění byla zvolena velikost elementu 2 mm.

Programové vybavení V současnosti existuje mnoho programů zabývajících se touto problematikou. Liší se mezi sebou podle několika kriterií. Popisem možností jednotlivých programů se zde není možno zabývat, jejich popis lze nalézt v odkazu [1]. V tomto případě byl použit programový balík ProCAST od společnosti ESI Group. Programový balík ProCAST umožňuje zahrnout a simulovat celou škálu slévárenských operací od tradičního gravitačního odlévání až po nejmodernější technologie, jako odlévání v semiplastickém stavu (thixo). Je využíván v mnoha průmyslových podnicích i ve výzkumných projektech.

Obr. 5 a. Přidání vtokové soustavy b. Meshování v programovém modulu MeshCAST Fig. 5 a. Adding of the gating system b. Meshing in software module MeshCAST

Obr 4 Možnosti využití programového balíku ProCAST[3] Fig. 4 Possibilities of use of the program package ProCAST[3]

Vytvoření sítě elementů

Zadání materiálových charakteristik a okrajových podmínek

V první fázi je nutno vytvořit 3d síť elementů. V programovém balíku ProCAST k tomuto účelu slouží modul MeshCAST. Ačkoliv MeshCAST umožňuje tvorbu geometrie přímo, tento program je primárně určen pro tvorbu sítě, nikoliv pro geometrické modelování, je lépe vytvořit geometrii v některém 3d modeláři a geometrii posléze importovat pomocí výměnných formátů. V tomto případě byl použit program Autodesk Inventor. K transportu byl použit formát .step. V průběhu meshování je nutno zvolit velikost jednotlivých elementů. Velikost elementů ovlivní samotný průběh výpočtu, jelikož větší velikost elementu zapříčiní nižší přesnost výpočtu, ale výpočet zabere méně času.. Menší element znamená vyšší

K tomuto účelu slouží programový modul PreCAST. Tento modul disponuje rozsáhlou materiálovou databází, která umožňuje řešit téměř všechny procesy, které se v technologii vyskytují od viskozity taveniny po tepelné charakteristiky. Materiál odlitku litina GGG 50 se nachází přímo v materiálové databázi. Zde jsou k dispozici charakteristiky, jako teplota likvidu, solidu, viskozita, součinitel tepelné roztažnosti. Tyto hodnoty jsou získávány pomocí rovnic ze zadaného chemického složení. V praxi samozřejmě toto kolísá, avšak ovlivnění výpočtu nepřesnostmi těchto charakteristik se 20



dlouhodobě jeví jako nevýznamné. Jako materiál formy byla použita jednotná bentonitová směs. Ve výpočtu byly použity materiálové charakteristiky písku SiO2, který tvoří převážnou složku tohoto materiálu.

Nápravná opatření V tomto případě jsme se pokusili vytvořit simulací podmínky pro odlitek prakticky bez vnitřních vad, k čemuž by v praxi zřejmě nebylo přikročeno, z důvodu značné komplikovanosti formy. Nejlevnějším opatřením je tam, kde to možné použití chladítek, případně je nutné oblast nálitkovat. Samozřejmě je nutno pak uvažovat vzrůst ceny a následné problémy s modelem i apretací.

Z důvodu neznámých charakteristik součinitele přestupu tepla byla zvolena hodnota 500 W.m-2.K-1, kolem které tato veličina v kritické fázi osciluje. Programový balík PROCAST dovoluje rozdělit fázi výpočtu na odlití a tuhnutí a druhá vychladnutí. V tomto výpočtu byla použita pouze první fáze, tedy výpočet byl ukončen v momentě, kdy zmizela veškerá tekutá fáze. Časový krok 1 sec. HW vybavení čtyřjádrový procesor Intel Xeon. Doba výpočtu 12 hodin. Počet elementů cca 3 mil. Teplota taveniny byla stanovena na 1350 ºC. Teplota okolí byla stanovena na 20 ºC. V tom případě, kdy je nutno stanovit okrajové podmínky přesněji je možno použít v programovém balíku metody zpětného inženýrství a stanovit je experimentálně.

Obr. 8 Problematické zóny na odlitku Fig. 8 Problematic zones in casting

Na geometrii se vyskytují 2 problematické zóny: velký tepelný uzel na styku obruby se střední částí. Tento problém je zvlášť nepříjemný v místě předpokládaného vrtání, kde je modul největší. Tepelné uzly vzniklé v místech nálitků na vrtání šroubů u středu odlitku, kde je nutno zajistit, aby tyto místa byla bez defektů, aby bylo možno vytvořit otvory.

Obr 6

Zadávání okrajových podmínek v programovém modulu PreCAST Fig. 6 Entering the boundary conditions into the programming module PreCAST

Nejlepším řešením při simulaci se ukázalo plnění středem, kde je dosaženo toho, že oblast velkého tepelného uzlu bude plněna chladnějším kovem, který už prošel částí formy. V neposlední řadě by to i znamenalo zmenšení spotřeby písku, jelikož půdorysná plocha je oproti původnímu návrhu zmenšena o vtokovou soustavu, případně by mohl být použit menší rám.

Výsledky a analýza defektů Po provedení výpočtu je zřejmé, že v tomto případě odlitek tuhne směrem k tepelnému uzlu. Největší staženina je podle očekávání v místě největšího modulu, kde je vyvrtán otvor pro zátku. Zřejmě při vrtání se výrobek ukázal jako „řídký“ a voda mohla tímto místem po porušení licí kůry snadněji prosakovat.

V modelu nebyly použity průtočné nálitky, ale 4 exonálitky s podnálitkovou vložkou pro snadné odstranění od fy FOSECO s modulem 3,5. Tímto způsobem dojde sice k vytvoření zbytku po uražení nálitku a dodatečné práci k jejich odstranění, ale je předpoklad, že v oblasti působení tepelného pole bude tvorba staženin omezená. Další krok je použití chladítek na 3 místech. 4 chladítka umístěná mezi nálitky na horní plochu odlitku. Zde bylo nutno experimentovat s velikostni těchto chladítek, aby jejich účinek naopak situaci ještě nezhoršil, tj. aby účinkem chladítka nedošlo k přerušení usměrněného tuhnutí do nálitku. Po provedení 10 pokusných simulací bylo použito chladítko o tloušťce 30 mm, šířce 50 mm a středovém úhlu 35º. Další chladítka již by v praxi zřejmě použity nebyly z důvodu počtu a nutnosti umístění chladítek do správné polohy. Tento článek

Obr. 7 Staženiny v odlitku Fig. 7 Shrinkages in the casting

21



slouží spíše jako modelový příklad možností simulačního softwaru ProCAST. Na druhé straně válce na prstenci umístit 8 menších chladítek o tloušťce 25, šířce 30 mm a středovém úhlu 30º. 1) chladítka na místech středových nálitků pro šrouby ve formě kvádru. V simulaci použit kvádr o velikosti 25x35x25 2) Chladítko na místo, kde bude vrtán šikmý otvor skrz celý nálitek. Zde bylo použito chladítko ve formě válce o průměru 25 mm a výšce 30 mm. Tento tvar chladítka by bylo možno použít jen v případě ručního formování a i tak by zřejmě muselo dojít k úpravě tvaru Obr. 11 Výsledky analýzy staženin v odlitku Fig. 11 The results of analysis of the shrinkage in the casting

Přijatá opatření Předchozí simulace byla sice co se týče řešení problému velmi efektivní, ale při realizaci byla kritizována její komplikovanost a též nebylo přikročeno k úpravě modelového zařízení. Proto byla provedena další simulace s původním uspořádáním, pouze byly na problémové místo, tj velký tepelný uzel. Na okrajový prstenec do blízkosti tepelného uzlu byly přidány 4 exonálitky z předchozího návrhu.

Obr. 9 Upravený vtok středem odlitku Fig. 9 Modified inlet system in the casting’s centre

Obr. 10 a,b – Upravený vtok středem odlitku

Obr. 12 Nové uspořádání vtokové soustavy Fig. 12 New arrangement of the inlet system

Po provedení simulace bylo při postprocessingu zjištěno, že staženiny lze tímto způsobem též omezit, nikoliv však vyloučit bez dodatečných opatření, ale tyto staženiny jsou již v přijatelné míře.

Obr 10 Návrh a umístění chladítek Fig. 10 Design and placement of cooling elements

Výsledky Upravený model byl postprocessing. Posléze výsledků pórovitosti.

vypočítán a proveden byla provedena analýza

Z analýzy vyplývá, že objem staženin lze tímto způsobem značně omezit až téměř eliminovat.

Obr. 13 Finální analýza staženin Fig. 13 Final analysis of shrinkages

22


Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody Automation Control, Computer Simulation , Computing Methods V současné době je modelování používáno v menších slévárnách pouze ojediněle, ale lze předpokládat, že vzhledem k zostřující se konkurenci na trhu bude jeho význam značně stoupat i přes obvykle značnou cenu těchto softwarových nástrojů a nutnost kvalifikované obsluhy.

Diskuse výsledků K problémům u tohoto odlitku dochází zřejmě kvůli značně velikému tepelnému uzlu viz. obr.9. Bez úprav vtokové soustavy prakticky nelze dosáhnout požadovaného usměrněného tuhnutí.

Poděkování s uvedením projektu Rád bych vyjádřil poděkování panu ing. Hálovi z pracoviště KMM ZČU v Plzni za mnoho cenných rad při realizaci projektu, dále bych rád poděkoval recenzentům panu doc. Štětinovi a panu dr.Ing. Lichému za poskynutí mnoha cenných připomínek. Tento příspěvek vznikl na základě řešení projektu „Rozvoj oboru materiálové inženýrství a strojírenská metalurgie“ číslo projektu SGS-2010-021, který byl realizován v rámci interního projektu na Katedře materiálů a strojírenské metalurgie ZČU.

Z analýzy vyplývá, že uspořádání podle obr.11 - 14 by zřejmě poskytlo lepší výsledky, ani finanční náročnost při změně modelového zařízení nelze považovat za příliš vysokou, navíc by při odlévání bylo zvýšeno využití kovu z důvodu menšího objemu vtokové soustavy. Uspořádáním podle obr. 13, došlo k snížení výskytu staženin v odlitku. Podle tohoto uspořádání byla odlita jedna série odlitků, tentokrát již bez reklamace.

Závěr

Literatura [1] BOUČNÍK P.: Disertační práce Simulace mikrostruktury s ohledem na dosažení požadovaných vlastností odlitků, Brno, VUT, fakulta strojního inženýrství, Ústav materiálového inženýrství, odbor slévárenství http://www.boucnik.cz/kap7.htm

Technologické modelování pomocí MKP se ukázalo jako velice efektivní a účinný nástroj jak při návrhu nové technologie, tak při řešení problémů se stávající technologií.

[2] LAŠ V.: Úvod do modelování v mechanice, ZČU v Plzni. Dostupné online na: www.kme.zcu.cz/download/predmety/224umm-5.pdf

Přes značný nedostatek vstupních faktů, jelikož byl k dispozici pouze výkres, umožnil dostatečné prozkoumání vzniklých problémů tak i jejich nápravu.

[3] Prezentace firmy Mecas-esi s.r.o., dostupné on-line na http://www.esi-group.com/cz/

Recenze: Ing. Petr Lichý, Ph.D. doc. Ing. Josef Štětina, Ph.D.

_____________________________________________________________________________________________

Eurozóně klesá ekonomika dva kvartály za sebou, recese je tu novinky.cz, ČTK

19.1.2012

Výkon hospodářství zemí platících eurem za poslední čtvrtletí opět zaznamená pokles, shodují se analytici, ač ještě neznají přesná čísla. Stav, kdy hrubý domácí produkt poklesne dva kvartály za sebou, nazývají ekonomové technickou recesí. Že je eurozóna na prahu ekonomické recese, přiznává i šéf ministrů financí unijních států s jednotnou měnou Jean-Claude Juncker. Ten vyzval ministry financí jednotlivých zemí, aby našli prostředky na podporu ekonomického růstu. Řada analytiků očekává, že výkon ekonomiky eurozóny za poslední čtvrtletí loňska opět klesne, data ale zatím nejsou známá. Stejně tak by tomu mělo být podle nich i v prvním čtvrtletí letoška. Následně by mohl HDP eurozóny stagnovat a pak pomalu začít růst. I dočasný pokles bude drtit rozpočty I pokud by pokles měl být opravdu jen dočasný, je zřejmé, že zasáhne vlády a jejich rozpočty ve chvíli, kdy se snaží šetřit a najít úspory, kde se dá, aby snížily rozpočtové deficity, které má naprostá většina z nich. SB

23

Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody

Recommend Documents