V y u ž i t í n u m e r i c k ý c h s i m u l a c í a C A D p r o g r a m ů v P B S Ve l k á B í t e š
Vložení vstupních dat a materiálových vlastností Po dokončení 3D trojúhelníkové sítě přejdeme do modulu ProCASTu nazvaného Cast. Tento modul slouží k zadávání dat simulace s parametry výpočtu. Hlavním cílem je definovat optimální vstupní podmínky, materiálové vlastnosti, přestupy tepla mezi materiály atd. Materiálové hodnoty v databázi často vyžadují korekci vzhledem k provozním podmínkám výroby. Jako první v modulu Cast určíme směr gravitace a tím i přesný směr lití kovu. Přejdeme do Volume Manageru, který definuje materiálové vlastnosti pro: • Composition – Chemické složení a konstanty pro výpočet makrostruktury • Thermal – Conductivity (měrná tepelná vodivost) – Density (hustota) – Specific Heat (tepelná kapacita) – Enthalpy (entalpie) – Fraction Solid (frakce solidu popis tuhnutí) – Liquidus a Solidus (konstanty tavení a tuhnutí) • Fluid – Newtonian Viscosity (viskozita) • Stress (napěťové vlastnosti) – Young’s Modulus – Poisson’s Ratio (Poisonovo číslo) Po přiřazení správných materiálových hodnot nastavíme teploty kovu, skořepiny a izolace. Teplota se může během optimalizace měnit. Jednou z hlavních částí je nastavení přestupů tepla mezi vrstvami vtokové soustavy (obr. 13). Dalším nastavením jsou přestupy tepla na povrchu vtokové soustavy neboli odvod tepla do okolního prostředí vzduchu a podloží (cooling). Rovněž umístění licího proudu kovu se definuje na horní ploše vtoku. Vymezení proudu kovu probíhá definicí tvaru licího proudu v závislosti na hmotnosti vsázky a rychlosti odlévaného kovu (přibližně 0,5 m/s.) Rychlost lití uvažujeme zpožděnou vzhledem k začátku lití z důvodu chladnutí žíhané skořepiny v čase od vyjmutí z žíhací pece po odsátí vzduchu z pece na požadované vakuum. Tato prodleva se pohybuje v intervalu 90–120 s (obr. 14). Pro výpočet makrostruktury je potřebné nadefinovat výpočtový objem pro objemovou nukleaci a výpočtovou plochu odlitku TK pro povrchovou nukleaci. Oba výpočty uvažují výpočtové konstanty:
– Surface nucleation: DTm = 29, dTs = 10, Gmax = 15 000 000; – Volume nucleation: DTm = 15, DTs = 12, Nmax = 15 000 000. Před samotným spuštěním výpočtu je nutné nastavit podmínky a vlastnosti výpočtu. V parametrech výpočtu nastavíme: – stop kritérium na počet kroků simulace (nastavení konstanty pro ukončení výpočtu); – stop kritérium na konečný čas simulace (nastavení konstanty pro ukončení výpočtu); – stop kritérium na čas po konci plnění (nastavení konstanty pro ukončení výpočtu); – stop kritérium pro teplotu tuhnutí (nastavení teploty pro ukončení výpočtu, kdy už je tavenina ztuhlá, to znamená nastavit 10 °C pod hranici teploty solidu; – nastavení kroku výpočtu (po jakém kroku se bude výpočet ukládat do paměti); – nastavení kroku pro samotné plnění; – nastavení maximálního kroku výpočtu; – nastavení všech jednotek, které se budou zobrazovat v prohlížeči výsledků. Podrobně je nezbytné nastavit i další oblasti výpočtu, např. výpočet tepelných vlastností soustavy, výpočet tečení a plnění skořepiny a další. Po dokončení zadávacího procesu můžeme spustit vlastní výpočet (processing). Program si ve svém adresáři vytvoří soubory, do kterých bude jednotlivé výsledky a výpočty ukládat. Průměrná doba 1 iterace výpočtu při optimálním návrhu izolace a vtoku se pohybuje kolem 2–3 h, přesnější výpočet pak v řádu hodin až dnů. Velikost adresáře s hotovým výpočtem se pohybuje kolem 5 GB. Z o b ra z e n í v ý s l e d k ů (p o s t - p r o c e s s i n g) Po skončení výpočtu je třeba vyhodnotit výpočty s pomocí základních analýz Thermal, Fluid a Cafe. Analýza Thermal hodnotí výsledky: teplota kovu a celé soustavy, frakce solidu, čas tuhnutí, zbývající čas tuhnutí, staženiny a pórovitost (mikrostaženiny) a Niyamovo kritérium. Analýza Fluid hodnotí nezaběhnutí, plnění formy, rychlost lití kovu celkovou i rozloženou do směru os x, y, z se zobrazením vektoru rychlosti a směru. Poslední vyhodnocení v modulu Cafe analyzují dosaženou velikost makrostruktury a umístění zrn, přechlazená místa s rychlým odvodem tepla, např. konce tenkých lopatek. Výsledky simulace lití axiálního turbínového kola Teplotní pole při odlévání tekutého kovu do skořepiny TL = = 1460 °C, T Ž = 1130 °C (obr. 15 a obr. 16). Teplotní pole při tuhnutí odlitku (obr. 17 a obr. 18). Frakce solidu podíl tekuté a tuhé fáze v odlitku (obr. 19 a 20). Čas tuhnutí zobrazí barevnou mapu, za jak dlouho která část ztuhla v odlitku (obr. 21). Prázdná místa a nezaběhnutí kovu je zachyceno na obr. 22. Staženiny a mikropórovitost v objemu odlitku (obr. 23 a 24). Niyamovo kritérium je znázorněno na obr. 25 a řez na obr. 26. Dalším důležitým parametrem, kterým se v PBS zabýváme, je u odlitků výsledná makrostruktura. Na tomto axiálním turbínovém kole je požadována jemnozrnná výsledná makrostruktura, získaná pomocí simulačního programu. Ladění struktury vyústí ve výsledné výrobní parametry pro výrobu TK. Ověření v praktickém experimentu pak slouží k potvrzení správnosti výpočtu (obr. 27 a 28). Zobrazení výsledků deformace voskového modelu axiálního turbínového kola Deformace voskových modelů souvisí i s deformací finálního odlitku. Pokud se jedním směrem deformuje voskový model, lze předpokládat, že i deformace tuhnutí budou ve stejném
S l é vá re ns t v í . L X I V . č e r v e n e c– s r p e n 2016 . 7– 8
243
Z PRAXE
Takto připravený model se pokryje trojúhelníkovou 2D sítí, kde definice velikosti elementu (trojúhelníku) na hranách modelu TK závisí na tloušťce stěn odlitku. U odtokových a náběžných hran, které nás zajímají nejvíce z hlediska jakosti, volíme velikost elementu 1 mm. Na rozměrnější části TK od síly stěny přes 3 mm volíme velikost elementu 3, resp. 8 mm na vtokové části, která je z hlediska přesnosti výpočtu nejméně kritická. Po nadefinování velikostí elementů je připraven drátový 2D model pro výpočet (obr. 4). Pro ilustraci uvádíme část modelu s vytvořenou 2D sítí, která se kontroluje z hlediska dosažení správného tvaru elementu do rovnoramenných trojúhelníků (obr. 5). V dalším kroku vytváříme trojúhelníkovou síť pro skořepinovou formu odsazením od zasíťovaného modelu vtokové soustavy o hodnotu tloušťky síly skořepiny 10 mm (závisí na počtu obalů skořepinové formy) (obr. 6). V posledním kroku se obdobným systémem vytvoří potřebné vrstvy izolační vaty dle metalurgického návrhu (obr. 7, 8 a 9). Ukázka reálné izolace sibralovou vatou při experimentu pro potvrzení výpočtových dat (obr. 10 a 11). Po závěrečné kontrole je model připraven pro optimalizaci licích parametrů (obr. 12).
A . J o c h – P. Ň u k s a – P. Kv a s n i c a