Оптимизация технологии изготовления отливок с использованием суперкомпьютера СКИФ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

тш ш тттшшв / от

-4 (49), 2008 / Ü Ш

One of the variants of optimization of the castings production technologies with the help of multiple-processor technologies of supercomputer SKIF is presented.

А. Я ЧИЧКО, С. Г.ЛИХОУЗОВ, Т. В.МАТЮШИНЕЦ, В. Ф. СОБОЛЕВ, О. И. ЧИЧКО, БИТУ

УДК 669.27:519

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СУПЕРКОМПЬЮТЕРА СКИФ

Одним из эффективных инструментов, позволяющих существенно повысить уровень проектно-конструкторских работ в литейном производстве, являются компьютерные системы моделирования технологии изготовления отливок. В настоящее время рынок компьютерных технологий предлагает целую группу систем моделирования (Procast, MagmaSoft, AF Solid, WinCast, 3d-Flow, ПроЛит-1, Полигон и др.), которые различаются между собой по возможностям и численным схемам, используемым при формализации уравнений математического ядра. Математическое ядро всех перечисленных систем является предметом «know how» и закрыто для пользователя. Оценить адекватность математического аппарата и используемой при этом математики можно сравнивая результаты промышленных или экспериментальных исследований с результатами моделирования. Следует отметить, что существенный недостаток всех без исключения компьютерных систем - большое время моделирования процесса заполнения и кристаллизации металла на персональном компьютере. Особенно критичным время моделирования становится при использовании сложных в пространственном отношении форм, так как объект моделирования разбивается на миллионы и более сеточных элементов. При этом полное время моделирования может достигать нескольких суток только для одного технологического варианта. В таких условиях оптимизировать технологический процесс изготовления отливки довольно сложно. Это приводит к тому, что выбор технологии осуществляется среди небольшого количества вариантов, что снижает эффективность используемых программных средств на практике.

Повышения эффективности моделирования литейных процессов можно добиться с помощью мультипроцессорных технологий [1-3]. В настоящее время для реализации мультипроцессорных технологий в Объединенном институте проблем

информатики HAH Беларуси имеется суперкомпьютер СКИФ, созданный в результате совместных исследований белорусских и российских ученых. Использование суперкомпьютера открывает новые возможности для разработчиков технологических процессов. Использование интернет-технологий делает программное обеспечение СКИФ доступным для многих пользователей. Предполагается, что доступ к «ПроЛит-1с» через суперкомпьютер и ИНТЕРНЕТ получат промышленные предприятия обоих государств: России и Беларуси. На рис. 1 показана возможная схема работы технологов предприятия с программой «ПроЛит-1с».

Этап. 1. Технолог с помощью систем компьютерной графики строит геометрическую модель отливки и различные варианты литниковой системы.

Этап 2. Формируются исходные данные по теплофизическим свойствам металла и формы, а также начальные условия заливки, которые пересылаются на СКИФ с помощью интернет-технологии для проведения расчетов.

Этап 3. Моделирование процесса заполнения форм и кристаллизации отливок. Формирование группы файлов различного объема с результатами расчетов.

Этап 4. Передача результатов расчетов по моделированию технологического процесса в упрощенной или полной форме со СКИФ на ПЭВМ на основе интернет-технологий.

При проведении компьютерного моделирования при анализе заполнения форм металлом важнейшими этапами являются:

• подготовка исходных данных по отливке, литниковой системе, теплофизическим данным расплава, а также начальные условия заливки (температура формы и металла);

• моделирование температурного поля системы «литниковая система-отливка-форма»;

• моделирование поля скоростей в форме;

М/шм г? шг

I 4 (49), 2008-

Исходные данные по 1Ч-вариантам технологии

1 - о1:Ы1 2 - <йЫ1 N - оИвИ

1 - ЛС.ЗЙ 2 - лс-вй N - ЛС.бИ

1 - y3.txt 2 - y3.txt N - y3.txt

1 - Ax.txt 2-ДхЛх1 N - Ax.txt

Ин^сднет

СКИФ

Интернет

Моделирование (полное) поля температуры, скорости, плотности

Моделирование (фрагменты) поля температуры, скорости, плотности

Выбор оптимального варианта технологии по критериям: заполнения формы, температуры заливки, массы литниковой системы, плавности заполнения, неравномерности заполнения формы и т.д. Кош={кь кг, км}

Отдел главного металлурга предприятия

-А

Рис. 1. Схема работы с программным обеспечением «ПроЛит-1с»

• моделирование поля плотности кристаллизующегося металла в форме;

• анализ недоливов и пористости в отливке на основе результатов моделирования поля температур скоростей и плотностей.

Фактически пятый этап является теоретической базой для принятия решения по данной литниковой системе и входным условием заливки. По этой упрощенной схеме организована работа технолога, расчетчика и разработчика технологического процесса. В ней нет оптимизации техпроцесса, а есть фактически проверка одного из предложенных технологом вариантов условий заливки и литниковой системы.

Дальнейшее совершенствование схемы разработки технологического процесса должно включать оптимизацию или выбор наилучшего технологического варианта среди возможных. Нахождение в глобальном смысле оптимальной литнико-

вой системы и условий заливки невозможно, так как таких вариантов может быть бесконечное множество в силу нелинейности данной задачи по отношению к литниковой системе, т. е. литниковая система по пространственной конфигурации может быть настолько разнообразной, что это не позволяет рассчитать все возможные технологические варианты. Следует отметить, что размеры литниковой системы существенно влияют на расход металла, необходимого для получения отливки методом литья в формы, причем это связано с энергозатратностью технологического процесса, так как литниковая система является возвратной при технологии получения отливок.

Возможности мультипроцессорных технологий могут быть использованы при совершенствовании технологического процесса на основе методов оптимизации. В этом случае этапы разработки могут быть представлены в следующем виде:

шт-g гг гжтгят^й in q

-4 (49), 2008 / ÜlP

1) сформируем N вариантов технологического процесса, отличающихся литниковыми системами и начальными условиями заливки;

2) смоделируем N вариантов температурного поля системы «литниковая система-отливка-форма»;

3) смоделируем N вариантов поля скоростей в форме;

4) смоделируем N вариантов поля плотности кристаллизующегося металла в форме;

5) для N вариантов на основе поля температур скоростей и плотностей рассчитаем распределение недоливов и пористости в отливке;

6) на основе критериев оптимизации процесса заполнения формы построим по ранжиру варианты в сторону наилучшего с технологической точки зрения варианта.

Для реализации этапа 6 были разработаны пять критериев для оценки технологического варианта. В качестве первого критерия использован коэффициент заполняемости, который определяется как количество сеточных элементов формы, не заполненных металлом. Чем больше это количество, тем выше вероятность образования дефектов типа недолив при заполнении формы. В качестве второго критерия используется коэффициент температуры заливки, которая является энергетической составляющей технологического варианта. Чем выше температура заливки, тем больше энергии затрачено на получение годной отливки. В качестве третьего критерия используется коэффициент массы литниковой системы. Чем больше коэффициент массы литниковой системы, тем большее количество металла и энергии необходимо для получения годной отливки. В качестве четвертого критерия используется коэффициент плавности заполнения формы, который определяется как сумма квадратов скоростей каждого сеточного элемента во всем временном промежутке заполнения. Чем больше этот коэффициент, тем больше абсолютная составляющая скоростного поля и выше ее влияние на стенки формы, т. е. при увеличении этого коэффициента повышается вероятность размыва формы. В качестве пятого критерия (коэффициент неравномерности заполнения) используется величина, равная сумме отклонений ячеечных скоростей от средней скорости в данный момент времени. Чем больше этот коэффициент, тем выше вероятность захвата воздуха и неметаллических частиц в отливку. Каждый из критериев позволяет ранжировать технологические варианты. Однако для выбора наилучшего варианта среди рассчитанных может быть использована целевая функция вида

к = ахкх + а2к2 + аъкъ + а4к4 + а5к5 => min, (1)

где коэффициенты аъ ..., а5 отражают вклад каждого из рассчитываемых критериев. Коэффициенты аь ..., а5 могут подбираться на основе опыта технолога, а также с учетом требований, предъявляемых к отливке. Например, если энергетический фактор коэффициента к2 можно опустить по какой-либо причине, то коэффициент а2 принимается равным 0.

Таким образом, процесс разработки технологии изготовления отливки состоит из задания группы технологических вариантов, просчета их на суперкомпьютере и выбора оптимального варианта по описанным выше критериям. Достоинство этой схемы заключается в том, что технолог очень быстро может принять решение о выборе одного или нескольких базовых вариантов, не используя полную информацию о процессе заполнения отливки в динамике по сечениям, т. е. упрощается и автоматизируется работа технологов и процесс принятия ими рещений. В этом случае технолог может затратить свое время на процесс разработки новых литниковых систем. Следует отметить и то, что такой трудоемкий процесс расчета становится эффективным только при использовании возможностей суперкомпьютера. В этом случае моделирование сложных в пространственном отношении отливок и литниковых систем может быть особенно полезно при использовании оптимизационных критериев. Следует отметить и то, что этот оптимизационный подход эффективен тогда, когда все рассчитанные литниковые системы обеспечивают заполнение формы. В этом случае для испытаний также необходимо выбрать лучший вариант, что позволяют сделать протоколы расчета формы (1).

Таким образом, оптимизация, как метод выбора наилучшей литниковой системы и условий заполнения, становится реальной именно при использовании возможностей мультипроцессорных технологий.

Рассмотрим возможности использования разработанных критериев для оценки качества заполнения формы с помощью «ПроЛит- 1с». Для решения этой задачи была выбрана деталь средней степени сложности (рис. 2).

Как видно из рисунка, количество мест подвода для данной детали ограничено вследствие ее симметрии, однако размерные характеристики литниковой системы могут быть достаточно разнообразны. В качестве базового варианта была выбрана литниковая система (рис. 3), для которой, используя традиционные методы (методика Озанна-Диттертта), были определены соотношения элементов (1:1,2:1,4). Так как приведенное отношение является не оптимальным, а базовым, в дальней-

Рис. 2. Основные размеры тестовой детали

шем были построены различные модификации, характеризующие соотношения основных размеров литниковой системы: площади стояка, шлакоуловителя, питателя (см. таблицу).

При решении задачи моделирования на суперкомпьютере СКИФ было рассчитано 27 вариантов

литниковых систем. Как показал компьютерный анализ, многие из вариантов на качественном уровне технологически близки, поэтому для дальнейшего анализа были отобраны три характерные литниковые системы. Результирующие протоколы для рассчитываемого процесса заполнения приведены на рис. 4-7. Для выделенного момента времени на рис. 4 показан расчетный протокол по группам распределений температур, давлений, скоростей температур для одного из вариантов технологии, отличающийся от других размерами сечений питателя, шлакоуловителя и стояка. Такой протокол просчитывается для каждого технологического варианта. Как видно из рисунка, наиболее нагретые сеточные элементы наблюдаются для варианта «Де-таль_32_36_90», что может быть связано с очень малым сечением питателя, в результате чего поле скоростей охлаждается за меньшее время.

На рис. 5 показано распределение температур для трех вариантов литниковых систем на момент времени заполнения отливки 7,5 с. По этим распределениям температур оценивается склонность каждого варианта литниковой системы к образованию дефектов типа «недолив». На рис. 6 представле-

ж:

00

В-В

тт

в.

^<1 рЬь.

. Б >

Б-Б 8

чо

А-А 10

Рис. 3. Базовый вариант литниковой системы

ff ifiß^tlfiftTfiTSi /1П1

-4(49).2008 /IUI

Соотношения элементов литниковой системы для каяодого из вариантов

Номер варианта Отливка Fl Fl Fi Отношение Fl :F2 :F3

1 Д етал ь_32 36 90 32 36 45 1:1,13:1,4

2 ДетальЗ2 36_ 112 32 36 56 1:1,13:1,75

3 Деталь_32_36_134 32 36 67 1:1,13:2,1

4 ДетальЗ 2_48_90 32 48 45 1:1,5:1,4

5 Д еталь_3 2_48_ 112 32 48 56 1:1,5:1,75

6 Деталь_32_48_134 32 48 67 1:1,5:2,1

7 Д етальЗ 26090 32 60 45 1:1,87:1,4

8 Деталь_32_60_112 32 60 56 1:1,87:1,75

9 Деталь_32_60_134 32 60 67 1:1,87:2,1

10 Д етал ь_40_36 90 40 36 45 1:0,9:1,13

11 Д етал ь_40_3 6112 42 36 56 1:0,9:1,4

12 Деталь_40_36_134 40 36 67 1:0,9:1,67

13 Деталь_40_48_90 40 48 45 1:1,2:1,13

14 Д еталь_40_48_ 112 40 48 56 1:1,2:1,4

15 Деталь_40_48_134 40 48 67 1:1,2:1,67

16 Деталь_40_60_90 40 60 45 1:1,5:1,13

17 Деталь_40_60_ 112 40 60 56 1:1,5:1,4

18 Деталь_40_60_134 40 60 67 1:1,5:1,67

19 Д еталь_48_3 6_90 48 36 45 1:0,75:0,94

20 Д еталь_48_3 6112 48 36 56 1:0,75:1,17

21 Деталь_48_36_134 48 36 67 1:0,75:1,4

22 Деталь_48_48_90 48 48 45 1:1:0,94

23 Деталь_48_48_112 48 48 56 1:1:1,17

24 Деталь_48_48_134 48 48 67 1:1:1,4

25 Д еталь_4 86090 48 60 45 1:1,25:0,94

26 Д еталь_48_60_ 112 48 60 56 1:1,25:1,17

27 Деталь_48_60_134 48 60 67 1:1,25:1,4

Ф^ н^-^ а^апи» аш> ягшш*. / .

С - ^

л -

шшт

Щ^шхт

М—11Ж

х гл -г ays <г ЧУ; ,

^ЖГ v '• .Г , ^

... чяхт mc$si*t s

-----1-------—4—

ее

iipemi» «язь X

>-> 4 tW

^1 1" т: i ^: ! ^ г: л

v 4QW

ЖЖШШШШ!

'"'"'"'" « '¿'л «'J » х'-* w Ii'" "'"1" * »'

__1

\ 2G№

~ ^—а------——-«».'-«

Ith ч->

■•■у'' М , Д.^Л. ^ /. V> vi' .■ ' '■ 4 /

4

' '' & ' й ' * ** *

СЖрвСЖт ОДЬ Y:

мтоишшиии

Рис. 4. Протокол для анализа технологического варианта «Деталь_32_36_90_032.8и»

102/

Г.ГГТТгГ: г: П^ШТГГП

а (49). 2008'

Сравнение параметров заяштенш

! (• Температура : Г Давление ; Г Скорость

¡рГ* Проекцкяскоросшна! Г Г" Проекции скорости ка

Объекты:

Щ

Н Детаяь_40_4Е_1Ц_032,® В Д еталъ_32_3б_90_о32.

Г 4с Г 45с Г 5с Г 5,5с Г 6с Г 6.5с

ст:

с/

\ (* Гистограмма. '| Г Линии || I Г\Точечтш

'Ш

1 1160

Зависимость числа ячеек от температуры

1 200

12» 1300

Температура, С '

1 350

I Детаяъ_48_б0_134_032_5Й I I Деталь_32_36_90_032.

I Деталь_40_48_! i2._032.stt

Рис. 5. Протокол распределения температур для трех технологических вариантов на момент времени заполнения отливки т = 7,5 с

» Сра в нен ие па ра нет ров ^ашшиешя

|!ЙГ: Температура : Г ~

{! «Г

И

ЮЗ.

шшй

Объекты;

0 Деташ>_43 _&М34 _§32.£ 0Деталь 40 4В 112 0315;

Деталь 32 36 90 032.5

Время, с

Г 0.5с Г 1с Г 1.5с Г 2с Г 15с

Зс Г 3.5 с

"Вид графика-

(* Гистограмма

Лншш С Точечный

Зависимость числа ячеек от сзшроств

Скорость, м:с

I Деталь_48_60_134_032.5« В Детадь_40_48_112_032.sU I Деталь_32_36_90_032.5й _

Рис. 6. Протокол распределения скоростей на момент времени заполнения отливки т = 3 с для трех технологических вариантов

Л ПТГгГ: ГГ

' 4 (49). 2008

/103

ж

Оптимальная по ковощтжоет крктериев егошвка

Ш

1

♦ р

Д«тзд*_48_4812_032.5« - $ ШШШ

ШШМЖ^Ш^ВШ:

Змш>J®J&JHJa&ш - о ^Пжл^^^и^Шл» - $ Деталь^М^^: ш - О

- о:

V % \

Детш»_32_48_Ш„032,Ш - О Джж^^^^Шл* - й ж . О

Д«аз&^ЗЙ, 112^032.5** - $

0« те»ш<$«ту|и$ зазйзвки

ДшДЙ 32^032,$» • -

Дето»ЗДКОлК Лшю^^ МЦИйЫ*

Деталь П_03?..5«

Детадь_40_36_112^832.*«

Детал* ¿2_052. Ш

шо шо |3 щ 1380 1380

то

¡11;

• Ж

- шо

¿.138(6 1380 ■ П80

- 13$0 1380

• шо 1380

- 1350

- 1350 1380

- 13$0

- 19Щ

- жт

~ 29547

- тю

&m*Jl*JЯJUJ(nж - зш?

32^48^032 - 2953 ■

Дтл^^ОГОЗ^ш - 2Ш> ДвшММ^^ЦВЗ лК ■ - Ш\7 Дпж»>_32_48_Ш_332 - 23965

- 30005

- 300451

134^32.5« ~ ЗЙШ Дт»и&48_3$>иВ15«Е - 30Ш Детат>_48_4^34_032^ - 30Ш

- 5036?

- 30405

а« шаышаег» Зйяе.этеная

д-

- :тм \

Д^таяь- 109Л

234_332 - Ш,П Деталь^^З 12^03~ 1П.П Д«а2ь_40_3б_134__1132-5тг - ИШ

- ЖА1

Д«аяь_40_48_111 J52.sU ■ 132.

- П2.8: 12^32 ?«• - 112^1

Дегааь_32^§0>_03:.Ш - 113,00

- 114Д0

Дгтазь_48;_3ё._112^32.2« - ПШ д«тзг&_40_48_00_032.ш ~ I !6Л2 Детая»_48_36_90_032 - Ш.М

- 1ГЛ1 ^032,5« - ПШ

Д«Г4т»_4&_68_Л2_032.Ш - И 8,08 Дек~ 115,90

- 12&Д1 120Д2

ДяшА*-» «миг*« - шФзо

□о »аикмнеяя« !

Д«ада„48_$0^134_032.$й - ^ А" jl2jn.su - -й

Детгяь„40„Ш„!34га032 5-П - 0,20

- 0Д1

\ \2Jb2 ж - 0.38 Дe7гaъJt^№JÍ^J32stl - 0.5 О

Дгта^„4§^36^134_0>2 ^ - • 3?

12„032;«{ - 1,53

Дет8ш>_48_3б_§0_032.«» - Ш

- 110

Д«-ш&_32_§0„134_0325^ - 2ДЗ

- 2.4$

- 1.4?

- 2,47

Детзль^40_3б^ 134__032. Ш - 2,^

Д?таль_32_48_112^032 лл - 4,36 Д««аь_32_43_134_032.^ * 4,41

Д?х^_32_36_Г34_032.- 4.02 Д^ггйь_32„3б„112_031 ш • 4,88

Рис. 7. Критериальная оценка для 27 технологических вариантов заполнения отливок

но распределение скоростей для трех технологических вариантов, на основе которых рассчитывается критерий, характеризующий разброс по скоростям. На рис.7 приведены результаты моделирования в виде пяти критериев по 27 вариантам. Из этой последовательности технолог может выбрать оптимальный вариант, руководствуясь зависимостью вида (1).

Таким образом, среди рассчитанных вариантов по пяти критериям оптимальным является вариант «Деталь_32_36_90», который позволяет заполнить форму без недоливов, обеспечивает минимальные энергозатраты на плавку, минимум массы литниковой системы, низкое значение коэффициента плавности заполнения и невысокое значение коэффициента неравномерности заполнения.

Таким образом, компьютерная система «ПроЛит-1с» может представлять практический интерес для промышленных предприятий, имеющих литейные цеха, на которых разрабатываются технологии получения отливок. Такими предприятиями являются РУП «Минский тракторный завод», РУП «Минский автомобильный завод», РУП «Гомельский литейный

завод «Центролит», ОАО «Минский завод отопительного оборудования», ОАО «Могилевский металлургический завод» и др. Установив рабочее место технолога и связь через Интернет с суперкомпьютером СКИФ, на промышленных предприятиях с помощью «ПроЛит-1с» можно решать задачи, связанные с разработкой технологического процесса изготовления отливок сложной конфигурации и, тем самым, снизить время разработки технологического процесса. «ПроЛит-1с» позволит автоматизировать процесс разработки технологического процесса и снизить литейный брак ошибок за счет оптимизации технологических режимов и пространственной конфигурации литниковых систем. «ПроЛит-1с» отличается от известных программных средств, реализованных под один процессор, тем, что программное обеспечение работает под мультипроцессорные технологии суперкомпьютера СКИФ, что существенно снижает время моделирования расчета процесса заполнения сложных в пространственном отношении форм, а также встроенными модулями оптимизации, позволяющими снизить время принятия решения по выбору технологом различных технологических вариантов.

Литература

1. Ч и ч к о А. Н., Соболев В. Ф., Л и х о у з о в С. Г., Ч и ч к о О. И. Программное обеспечение «ПроЛит-1с» для моделирования литейных процессов на кластерных мультипроцессорных технологиях суперкомпьютера СКИФ // Литье и металлургия. 2007. № 3. С. 76-80.

2. Ч и ч к о А. Н., Л и х о у з о в С. Г., Соболев В. Ф., С а ч е к О. А., Ч и ч к о О. И. Компьютерная система «ПроЛит-1 с» под суперкомпьютер СКИФ для расчета процесса течения расплава в промышленных формах // Литье и металлургия. 2008. № 1. С. 71-78.

З.Ч и ч к о А. Н., Кукуй Д. М., Соболев В. Ф. и др. Программное обеспечение под суперкомпьютер СКИФ «ПроЛит-1с» и «ПроНРС-1с» для литейного и металлургического производств //Литье и металлургия. 2008. № 3. С. 131-139.