CC BY
53
Щ УДК 621.74
СОВРЕМЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ СИНТЕЗА И АНАЛИЗА ЛИТЕЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
§|§| П.О. Быков, В.Я. Шевченко
• | Павлодарский государственный университет |||| им. С. Торайгырова,
Мацалада K,a3ipei кезде к,ую eHÖipicihide пайдаланып журген компьютерл1К багдарламалар царастырылган. Кец тараган
§|||; багдарламалардыц xcemiemiKmepi мен кемшшктер1 талданган.
В статье рассмотрены компьютерные программы, применяемые в литейном производстве в настоящее время. Проанализированы достоинства и недостатки наиболее распространенных из них.
The article is considered computer programs, which the using in foundry industries. It is analyzed dignity and shortage computer programs.
Компьютерные системы, используемые в литейном производстве делятся на: компьютерные системы синтеза литейных технологий (САПР ТП) и компьютерные системы моделирования литейных процессов.
К компьютерным системам синтеза литейных технологий относят программы, позволяющие в автоматизированном режиме разрабатывать технологический процесс изготовления отливки. Разработка технологического процесса может включать в себя: выбор плоскости разъема, определение припусков на механическую обработку и формовочных уклонов, определение границ формы и стержня, знаковых частей стержней, расчет литниковой и питающей систем, проектирование модельной и стержневой оснастки.
Наиболее известной и пожалуй единственной САПР ТП российского производства является система проектирования чертежа отливки Т-FLEX/ Отливка. Модуль Т-FLEX/ Отливка разработан АО «Топ Системы» совместно с АО «Ли-таформ» и МАМИ, предназначен для разработки технологического процесса изготовления отливок и содержит следующие компоненты:
№1, 2005 г.
- САПР «Чертеж отливки». Выбор плоскости разъема, определение точности по ГОСТ 26645-85-(89), определение припусков на механическую обработку дифференцированно на каждую поверхность, формовочных уклонов, «про-ливаемости» отверстий и т.д.;
- САПР «Технологии литейной формы», включающую определение границ формы и стержня, знаковых частей стержней по ГОСТ, расчет литниковой и питающей систем;
- САПР «Тех.задание на проектирование модельной и стержневой оснастки», с назначением линейной усадки на рабочие размеры моделей и стержневых ящиков дифференцированно в зависимости от технологических факторов.
Другими представителями данных программ (РОМ систем) являются \VindChiIl от фирмы РТС. Компас-автопроект от фирмы Аскон. Но эти программы не обладают возможностью работы с геометрической моделью отливки.
Надо отметить, что информация в литературных источниках об успешном внедрении данных систем на предприятиях России или других стран отсутствует.
К компьютерным системам моделирования литейных процессов относят программы для численного моделирования физических процессов, происходящих в отливках. Они позволяют «проигрывать» различные процессы при формировании отливки (тепловые, гидродинамические, усадочные, деформационные и т.д.), на основе которых моделируют процессы образования различных дефектов, прогнозируют различные свойства, эксплуатационные характеристики и т.п.
Системы компьютерного моделирования усложняют разработку технологии. но при этом позволяют осмысленно решать задачи, которые раньше решали интуитивно.
Су ществующие системы моделирования литейных процессов различаются функциональными возможностями, количеством моделируемых технологий, учитываемых при этом условий и стоимостью.
Моделирующие системы основаны на численных алгоритмах, позволяющих решать относительно сложные, так называемые эллиптические дифференциальные уравнения теории поля, которые описывают реальные физические процессы.
Основными численными методами решения таких уравнений являются:
- метод конечных элементов (МКЭ);
- метод конечных разностей (МКР).
Эти методы серьезно различаются по достоверности решения. Метод конечных разностей разработан достаточно давно и имеет определенные недостатки при решении граничных задач теории поля. Метод конечных элементов более молодой, более математизированный и содержит гораздо меньше у прощений.
12
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА
Эти методы различаются по представлению геометрии моделируемого объекта (отливки). В МКР геометрия представлена параллелепипедами, а в МКЭ используется достаточно гладкая сетка конечных элементов (в основном тетраэдров) произвольных размеров и конфигурации.
В настоящее время практически все универсальные (не литейные) моделирующие пакеты, такие как АЫБУБ, Nastгan, Ра1гап и т.д. давно отказались от устаревшего метода конечных разностей и используют только метод конечных элементов. По этому же пути пошли наиболее продвинутые литейные пакеты, такие как РгоСа$1. \VinCast, Полигон
В настоящее время наиболее известными моделиру ющими системами являются системы представленные в таблице 1.
Проведенный обзор дал следующие результаты по распространению систем компьютерного моделирования литейных процессов в мире.
В Европейском Союзе и США в настоящее время наиболее распространены две литейные моделирующие системы: РгоСаБ! (разработана в США) и Ма^а5оЛ (разработана в Германии). По данным производителей на каждую из этих систем за период около 10 лет было приобретено не менее чем 400-500 лицензий по всему миру. В Европе более популярна система Ма^аБой, в США РгоСаЛ. Кроме того, определенный сегмент рынка в Европе занимают системы \VinCast и Т^о\аИо\\ (в России ЬУМПолу).
В России и странах СНГ лидером по распространенности является Полигон (разработана в России, Санкт-Петербург). За период около 10 лет на эту систему приобретено более чем 50 лицензий, в том числе в Германии и Южной Корее. Второе место по распространенности после Полигона занимает система ЬУМПо\\ (разработана в России. Ижевск). Системы разработанные иностранными компаниями, например такие как Ма^та8оЛ и РгоСаэ! вместе за 10 лет в России и СНГ поставили не более десятка лицензий, большая часть из которых временные.
№1, 2005 г.
13
Таблица 1
Системы моделирования литейных процессов.
№ ----- Название Производитель Возможности программ Используемый численный метод Примерная стоимость, тыс. $
1 ~2 \VINCast (БшИес) Германия Г К, Н. С МКЭ 65
РИОСаз! США Г. К, Н, С МКЭ 65
3 МАОМАьой Германия г, к. н, с МКР 70
4 БОЬГОСав! (АРМе!) США г, К. О МКР 17
5 РоП§оп Россия. Санкт-Петербург г. к МКЭ 20
6 ЬУМПо\У (МоуаР1о\у) Россия. Ижевск г, к МКР 15
7 РЬСШ-ЗБ США г, к МКР 40
8 РАМч^ (51ти1ог) Франция г. к, н. с МКР. МКЭ 30
9 САБТСае Финляндия г. К, О МКР 20
10 PowerCast (РаБ5а§е) США Г, К МКЭ 30
11 VulcaN Испания г, к,н
Возможности программ: Г - гидродинамический расчет заполнения расплавом формы, К - анализ температурных полей при кристаллизации и усадочных дефектов; Н - расчет напряжений в отливке и остаточной деформации - поводки: О - параметрическая оптимизация литнико во-питаю щей системы в автоматическом режиме: С - моделирование структуры (зеренная структура, распределение феррига и перлита размер графитных включений и т.п. - разные аспекты анатизируются в различных программах).
Характеристики наиболее распространенных систем компьютерного моделирования литейных процессов
MagmaSoft - немецкий моделирующий пакет Базируется на методе конечных разностей, один из первых коммерческих литейных пакетов.
Программа моделиру ет заполнение металлом формы, кристаллизацию и дальнейшее охлаждение системы, позволяет, как и все литейные моде л иров щи ки. варьировать геометрию и технологические параметры с целью выбора наиболее оптимального варианта, гарантирующего получение бездефектной отливки.
В базовом варианте MagmaSoftstandart позволяет моделировать литье в пес-чано-глинистые формы и в кокиль. Для моделирования других вилов литья необходимо приобретать дополнительные модули.
Программа генерирует конечно-разностну ю сетку в автоматическом режиме и содержит широкие возможности для оптимизации сгенерированной сетки. MagmaSoft имеет средства твердотельного моделирования, а также возможность импорта файлов из CAD-систем в двух форматах - IGES и STL, прямой интерфейс с Proengineer и EUCLID, экспорт в некоторые FEA-системы.
В пакете MagmaSoft численными методами решаются тепловые, гидродинамические и деформационные процессы. Задачи прогноза макропористости и раковин решаются у прощенными моделями. Прогноз микропористости, стру ктурных, механических и друтих характеристик отливки проводится на уровне критериального анализа (обработка базовых полей рассчитанных численными методами с помощью относительно простых критериев). Пакет MagmaSoft не используется для моделирования литья отливок ответственного назначения (лопатки турбин и т.п.). Сильными сторонами MagmaSoft является большое количество «вшитых» критериев, которые на уровне критериального анализа позволяют прогнозировать различные свойства - структуру; механические характеристики и наличие различных «настроечных» коэффициентов для различных способов литья, сплавов и материалов, которые в скрытом виде интегрируют в систему, что позволяет в некоторой мере компенсировать у прощенность моделей и алгоритмов.
В целом MagmaSoft можно отнести к системе «среднего» класса, ориентированную на решение относительно типовых задач при ограниченном наборе адекватно учитываемых факторов.
ProCast - в настоящее время американошвейцарский конечно-элементный пакет. По мнению российских экспертов наиболее точный и многофункциональный литейный моделировщик на рынке.
Программа моделиру ет заливку металла, затвердевание металла (расположение горячих зон и усадочных дефектов), напряжения и поводку; микростру ктуру.
Основу системы составляют базовые и дополнительные модули для последовательного или параллельного прохождения различных этапов моделирования (задачи могут решаться совместно с учетом их взаимного влияния).
Геометрические модели импортируются из CAD-систем в формате IGES или STL: автоматически генерируется конечно-элементная сетка. Возможен импорт сетки из САМ-САЕ-систем Ideas, Pairan, Ifem, Gfem, Aries, Ansys, Fam, Anvil, Proengineer, Hypermesh.
В ProCast численными методами моделируются тепловые, гидродинамические и деформационные процессы, а также процессы структурообразования (кристаллизационные процессы). Критериальный анализ в ProCast представлен достаточно слабо. К главным достоинствам этого пакета относится возможность ч'чета сложных тепловых граничных условий, \чет возможности перемещения объектов, возможность учета сложной реологии при деформационных расчетах и, как \же указываюсь, возможность численного расчета структуры в отливках.
К недостаткам этого пакета можно отнести слабый уровень решения усадочной задачи (расчет раковин, микропористости, макропористости) в версиях до 2002 года выпуска, устаревший интерфейс.
ProCast - это типично «тяжелая» система, гораздо более универсальная чем MagmaSoft и предназначенная для решения сложных задач при разработке литейной технологии с адекватным учетом максимально большого количества дсйств\тощих факторов.
WinCast - немецкий моделирующий пакет, разработанный фирмой Simtec. Базируется на методе конечных элементов. На сегодняшний день система WinCast становится лидером на европейском рынке.
Программа моделирует заливку металла, затвердевание металла (расположение тепловых узлов и усадочных дефектов), напряжения и поводку, микроструктуру.
Основ\ системы составляют базовые и дополнительные модули для последовательного или параллельного прохождения различных этапов моделирования, задачи могут решаться совместно с учетом их взаимного влияния.
Программа различает при моделировании литье под высоким и под низким давлением, литье по выплавляемым моделям, литье в кокиль, литье в песчаную форму.
WinCast относится к классу тяжелых конечно-элементных систем анализа. Широкое распространение получает в Европе и США.
Полигон - российский конечно-элементный пакет для моделирования литейных процессов. В настоящее время безусловный лидер в России и странах СНГ по количеству приобретенных заводами лицензий. Наиболее распростра-
нсн на предприятиях оборонного комплекса, предприятиях АвтоПрома, заводах Аэрокосмического комплекса и крупных машиностроительных заводах.
Полигон позволяет моделировать тепловые процессы при затвердевании, образование усадочных раковин и макропористости, образование микропористости. гидродинамические процессы при заливке, деформационные процессы для прогноза кристаллизационных трещин.
Пакет различает способы литья: в землю, в кокиль (в том числе водоох-лаждасмый), ЛВМ. ВПФ. ЛПД, ЛНД, жидкая штамповка, направленное затвердевание и другие.
В системе Полигон численными методами решаются задачи моделирования гидродинамических, тепловых и усадочно-фильтрационных процессов. Кроме того, численно решается задача распределения электрических потенциалов в затвердевающей отливке в условиях приложения электрического тока. Методами критериального анализа решаются задачи прогноза прочности, твердости, структурных параметров, размыва формы и т.п. В системе Полигон возможно формирование базы «собственных» сложных критериев с учетом химического состава, логикой перехода от одной формулы к другой и т.п.
Все основные модели и функции реализованы в двух видах: для трехмерных (3D) и двул-с-половиной-мерных (2,5D) геометрических моделей.
Полигон позволяет импортировать конечно-элементные сетки практически всех известных генераторов: Femap. HyperMesh, Gid. Ansys, Nastran. Pro/Mesh (модуль ProEngeneer). генератор в Unigraphics, StressLab. MeshCast и другие. По желанию заказчика совместно с Полигоном может поставляться один из таких генераторов. Также может использоваться генератор уже имеющийся в наличие на предприятии Это позволяет совместно с Полигоном использовать все наиболее популярные CAD-системы: SolidWorks, Unigraphics, ProEngeneer, EUCLID. CATIA. Cimatron, С ADDS, Ko.Mnac-3D и другие.
К недостаткам пакета следует отнести отсутствие полномасштабной деформационной задачи с учетом сложной реологии, и избыточную сложность моделей при решении гидродинамических задач.
По классу Полигон безусловно является «тяжелой» системой, предназначенной для решения задач проектирования литейной технологии для любых способов литья при неограниченной сложности геометрии отливки с учетом максимального количества действующих факторов.
Лицензии на систему Полигон могут быть трех типов: Light (легкая). Professional (профессиональная). Special (специальная) Они различаются по цене и максимальному количеству элементов в моделируемой геометрии.
No 1, 2005 г.
17
LVMFlow (NovaFlow) - профессиональная система компьютерного 3D моделирования литейных процессов. Базируется на методе конечных разностей.
LVMFlow моделирует литье по выплавляемым моделям, литье в песчано-глинисту ю форму, литье в кокиль, литье в изложницу, литье под давлением.
LVMFlow позволяет промоделировать процесс заполнения формы и затвердевания сплава, образование усадочных дефектов и графитизацию в чугунах. Для формирования геометрического образа отливки система может конвертировать файлы форматов DXF, CAT, STL, ASCII во внутренний формат (для этого используются системы ProEngmeer, CADDS, CADDY, AutoCAD) или использовать оригинальный модуль LVMFlowGeo.
К недостаткам можно отнести в первую очередь применение для численного решения задач моделирования метода конечных разностей. Это ограничивает возможности системы.
Выводы
Как уже упоминалось программ синтеза литейной технологии крайне мало. Из PDM систем или приравненных к ним можно упомянуть WindChill от фирмы РТС, Компас-автопроект от Аскон (в настоящее время вышла новая версия называемая Лоцман). Из программ что то делающих с геометрической моделью известна лишь одна. Это САПР «Отливка» разработанная фирмой «Литаформ» (Россия, Москва). САПР «Оливка» является надстройкой над CAD-системой T-FLEX и позволяющая и помогающая технологу в интерактивном режиме назначать припуска, уклоны и другие технологические изменения в геометрии. Работает она только в двумерной части T-FLEX.
На основе литературного обзора можно заключить, что основными и наиболее используемыми в мире системами моделирования литейных процессов являются системы MagmaSoft и ProCast.
На территории России и стран СНГ основными и наиболее использу емыми сис-темами моделирования литейных процессов являются системы Полигон и LVMFlow.
Из всех имеющихся систем моделирования наиболее точными, а значит и более приемлемыми, являются системы моделирования, использующие для численных расчетов метод конечных элементов.
На взгляд авторов для условий Казахстана наиболее приемлемым является применение для моделирования литейных процессов системы Полигон, которая использует для численных расчетов метод конечных элементов и позволяет моделировать тепловые процессы при затвердевании, образование усадочных раковин и макропористости, образование микропористости, гидродинамические процессы при заливке, деформационные процессы для прогноза кристалли-
18
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА
зационных трещин. Наличие нескольких типов лицензий и следовательно различие в стоимости также является дополнительным плюсом.
Дополнительным плюсом является то, что для создания геометрической модели отливки и сетки конечных элементов возможно применение уже имеющихся на предприятий систем САПР (например для ПФ ТОО «Кастинг» это система РгоЕп§теег).
При этом надо отмстить, что успешное внедрение систем моделирования литейных процессов на предприятии потребует достаточно много времени. Так по данным разработчиков для технолога, который регулярно занимается моделированием, понадобится до полугода для качественного освоения программы. Поэтому важным считается при поку пке программы большое внимание уделить обучению персонала, который в дальнейшем будет использовать ее в работе (как по работе с самой программой, так и в области теории литейных процессов).
