Модули LVMFlow

LVMFlow использует модульную структуру, что позволяет работать с программой в режиме сетевой версии, когда каждый пользователь работает только в одном модуле. При этом на одной лицензии получаем несколько одновременно работающих технологов.

Модуль Конвертор

В настоящее время существует большое число систем геометрического моделирования (Proengineer, CADDS5,…), позволяющих создать геометрический образ в форматах IGES, DXF, STL… Cвязь с системами геометрического моделирования в LVMFlow осуществляет модуль “Интерфейс с CAD системами” — конвертор, преобразующий файлы формата STL во внутренний формат LVMFlow.

Конвертор также выполняет следующие функции:

1) Изменение ориентации отливки в пространстве.

В процессе отладки технологии бывает необходимо менять ориентацию отливки относительно поля тяжести. Для поворота отливки предусмотрены два варианта: а) числовое задание углов Эйлера . б) вращение отливки при помощи устройства мышь с визуальным контролем за ее ориентацией.

2) Масштабирование геометрического образа отливки.

Конвертор позволяет изменить масштаб геометрического образа отливки посредством выбора системы единиц измерения (мм, см, дюймы,…).

3) Сборка конструкции из геометрических образов, хранящихся в различных файлах.

Например, имея в отдельных файлах геометрию отливок, литниково-питающих систем, прибылей, можно реализовать различные компоновки элементов и создавать различные конструкции.

Модуль Задание технологических параметров

Для того чтобы описать условия, в которых будет кристаллизоваться отливка существует Модуль “Initial” — Задание начальных условий, котрый позволяет:

1) Создать разностную сетку в расчетной области, на которой будут решаться уравнения тепло-массопереноса.

В LVMFlow элементарной ячейкой разностной сетки является куб. Поэтому для автоматической генерации сетки достаточно ввести один параметр-размер ячейки (шаг сетки), либо задать общее количество узлов сетки. Чем меньше шаг сетки, тем точнее решение, которое получится в процессе счета.

2) Задать на границах расчетной области условия теплообмена.

Задание граничных условий на границе расчетной области осуществляется выбором одного из четырех вариантов:

а) на границе расчетной области поддерживается заданная температура .

б) граница расчетной области является плоскостью симметрии .

в) за пределами границы расчетной области располагается бесконечная форма .

г) граница расчетной области является границей форма-воздух.

3) Задать начальные температуры формы и заливаемого металла.

Созданную в системе геометрического моделирования конструкцию можно дополнить построением оболочки вокруг любой части отливки. Для этого достаточно указать эту часть отливки и задать толщину оболочки. Оболочка становится таким же элементом технологической оснастки, как и те детали, что построены в системе геометрического моделирования. В случае неоднородной технологической оснастки для каждого материала можно задать свою собственную начальную температуру.

4) Ввести параметры дополнительных технологических приемов.

На границе металл-форма можно ввести параметры, характеризующие противопригарное покрытие, а также параметры, учитывающие образование воздушных зазоров между металлом и формой в процессе затвердевания отливки.

5) Установить датчики.

Для более детального анализа пользователь может установить датчики в любом месте расчетной области (в отливке или оснастке). Показания датчиков выводятся в виде графиков временной зависимости выводимой функции (температуры, скорости изменения температуры, доли жидкой фазы, скорости течения расплава, входного потока расплава). Большинство параметров изначально установлены по умолчанию системой Системные установки. В процессе работы достаточно откорректировать параметры или не изменять их вообще. Ввод значений параметров можно производить в произвольном порядке. Из дополнительных приемов, применяемых в литейной технологии, в LVMFlow реализовано моделирование тепло электро нагревателей (ТЭНов), каналов с теплоносителями (газ, жидкость, плазма) и фильтров. Мощность тепловыделения ТЭНов в процессе моделирования можно менять в произвольные моменты времени. Каналы с теплоносителями могут использоваться как нагреватели и как холодильники. Для отработки литейной технологии, предусматривающей многократное использование формы, в системе LVMFlow реализовано моделирование циклического процесса.

Модуль Затвердевание

В ходе моделирования затвердевания отливки технолог наблюдает динамику процесса по всем характеристикам модели и в любом, интересующем его сечении отливки. Возможен просмотр полей скорости, векторов скорости и давления, температуры, пористости и фазового состава затвердевшей отливки.

Система также предоставляет пользователю суммарные поля дефектов по трем проекциям. Кроме этого организована имитация работы термопар, устанавливаемых исследователем в произвольных точках расчетной области, и снятие термических и кинетических кривых.

Различные поля можно наблюдать как в 2D, 3D так и прозрачное 3D. Легко разрезать отливку в X, Y, или Z направлениях и наблюдать как 2D или 3D. При моделировании в 2D имеется возможность получения информации о температуре, жидкой фазе, скорости и давлении в каждой точке отливки.

Отливку можно масштабировать в 2D или 3D и также возможно продолжить моделирование в масштабном режиме. В 3D отливку можно свободно вращать в пространстве для лучшего изучения результатов.

Модуль Гидродинамика

В модуле Гидродинамика моделируется заполнение формы расплавом, которое рассматривается, как течение идеальной несжимаемой жидкости без учета процессов теплопередачи. Течение описывается уравнениями Навье-Стокса, где вязкость учитывается в виде поправки. Для изучения движения в расплаве посторонних (шлаковых) частиц в пакете предусмотрена возможность моделирования движения шарообразных частиц заданного радиуса и плотности. В пакете возможно одновременное моделирование процессов заполнения формы расплавом и его затвердевание.

В каждом отдельном модуле процессы тепломассопереноса описываются замкнутой динамической системой уравнений, основанных на законах сохранения энергии, импульса, массы, уравнений состояния многокомпонентных сплавов, которые решаются на прямоугольной сетке методом конечных разностей МКР с автоматическим выбором шага интегрирования по времени. Такой подход, на наш взгляд, является наиболее оптимальным по сравнению, например, с методом конечных элементов МКЭ:
а) простая автоматическая генерация конечно-разностной сетки .
б) для достижения одной и той же точности решения конечно-разностные методы требуют значительно меньше машинной памяти и времени счета.

Динамика процесса несет в себе большое количество информации, поэтому отображению результатов моделирования в пакете уделено большое внимание. Результаты моделирования такие как температура, доля жидкой фазы, скорость течения расплава, давление в расплаве, доля усадочных дефектов выводятся на каждом временном шаге. Вывод образа отливки (также как и полей функций, характеризующих ее состояние) производится в виде изометрического изображения (3D) и в произвольном плоском сечении (2D), в цветовой гамме, соответствующей установленной шкале. Функции вращения и масштабирования дополняют возможности просмотра. Для получения более детальной информации можно считать численное значение поля (температуры, доли жидкой фазы, скорости, доли дефектов,..) в произвольной точке расчетной области.

Модуль Банк материалов

Банк материалов содержит теплофизические свойства сплавов и материалов форм и информацию о диаграммах состояния. В банк материалов занесены наиболее часто применяемые формовочные материалы, огнеупоры, изоляционные материалы и сплавы.

Информация по сплавам классифицируется следующим образом: углеродистые стали, легированные стали, чугуны . силумины, бронзы, никелевые сплавы.
Банк свойств открыт для пользователя и позволяет его наполнить свойствами тех сплавов с которыми работают на данном предприятии.
Параметры программы основываются на диаграммах состояния которые используют химический состав для расчета тепловых параметров, используемых во время затвердевания. Все тепловые данные определены как функции от температуры.

Модуль Банк Паспортов

По каждой отливке создается специальный паспорт в который заносится вся информация об отливке: начальные условия, результаты моделирования для каждого варианта просчета. Это позволяет проводить сравнение и анализ различных вариантов моделирования и делать выводы о влиянии тех или иных параметров на процессы заполнения формы, затвердевания, образования дефектов.
Результаты (2D и 3D) можно сохранять автоматически для дальнейшего просмотра. Возможен так называемый ночной вариант записи результатов моделирования, когда перед началом моделирования для записи в паспорт указываются поля, критерии, интервалы времени и компьютер оставляют работать на всю ночь. Утром остается только просмотреть результаты моделирования. Результаты моделирования можно также записать в виде анимационных AVI файлов и в дальнейшем включить в отчет.
Предусмотрена возможность повторного использования паспортов с дальнейшей их корректировкой. Каждый такой паспорт может быть считан в модуле Initial — начальне условия и после корректировки начальных условий может быть просчитан новый вариант.

Модуль Тест

В LVMFlow производится моделирование процесса заполнения формы металлом и процесса затвердевания. Физическая модель заложенная в основу LVMFlow позволяет делать подгонку некоторых параметров для установления более точного соответствия эксперименту. Для этого в LVMFlow существует специальный модуль Тест, который позволяет подогнать определенные параметры и адаптировать систему к конкретному производству.

Отливая на производстве отливки в форме куба, шара, цилиндра и сняв с них термическую кривую, можно провести сравнение полученных результатов в эксперементе и расчетах. Затем производится коретировка теплофизических свойств сплава и материала формы, до совпадения термических кривых экспериментальной и расчитанной. Таким образом производится ТОНКАЯ настройка LVMFlow.

Модуль Расчет Напряжений

В процессе остывания отливка деформируется (изменяет свои размеры).
Одновременно возникают и напряжения обусловленные, как неоднородностью температурного поля, так и взаимодействием с формой. В представленной версии LVMFlow взаимодействие отливки с формой не рассчитывается.

В модуле РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЙ применена модель расчета напряжений и смещений, возникающих при остывании отливки с учетом нарастания твердой корочки. В настоящее время LVMFlow позволяет рассчитать следующие физические величины:

— вектор смещения .
— тензор деформации .
— тензор напряжений .

В процессе счета для просмотра отображается следующие поля:

— Смещения в X,Y,Z направлениях . — Поле сдвиговых напряжений .
— Поле напряжений сжатия . — Поле критических напряжений сдвига.

Смещения являются результатом деформаций возникающих в отливке в процессе остывания. Поле смещений в трехмерном виде высвечивается искаженным с заданным Коэффициентом увеличения. Это для того, чтобы лучше было оценить в каких местах и в каких направлениях происходят смещения. Высвечиваемые стрелки на сечении поля Смещений показывают направление смещений. Цвет показывает модуль вектора деформации (величину смещения).

Поля смещений в отливке в различные временные моментыв отливке в различные временные моменты.

Для наглядности отображения полей смещения в 3D имеется коэффициэнт увеличивающий значения поля смещений в несколько раз. На второй и третьей картинке можно визуально оценить в каком направлении происходят смещения в отливке.

Поле сдвиговых напряжений в отливке в различные временные моменты.Выводится значение функции Вон Мизеса.

Поле напряжений сжатия (выводятся значения давления).

Поле критических напряжений сдвига .

Критические напряжения сдвига это предельные значения напряжений, при достижении которых возникает пластическая деформация.

Модуль РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЙ обеспечивает расчет напряжений и смещений, возникающих при остывании отливки с учетом нарастания твердой корочки.
Расчет полей напряжений возможен для нескольких материалов (пока материалы должны быть только одного типа: либо сплавы, либо материалы формы).

Следует особо отметить обучающую роль компьютерных систем, предоставляющих возможность в сжатые сроки просмотреть несколько вариантов ошибочных технологий и понять причины появления брака. Наблюдение за развитием процессов и четкое хронометрирование образования дефектов дает возможность понять, когда и в какой области дефекты могут возникнуть, открывает простор для быстрого реагирования и внесения изменений в конструкцию. Моделирующая программа – не более чем инструмент, но такой инструмент, который позволяет в относительно короткие сроки повысить квалификацию начинающего технолога и эффективность проектирования технологий.

Рисунок 1* – Размеры модели.

Рисунок 2 * — Исходная модель геометрии слитка (окно программы Solidworks).

Для дальнейшего использования сохраним модель в формате STL

Рисунок 3 – Параметры преобразования модели в формат STL

1 – модуль импорта исходной геометрии .

2 – модуль «установки моделирования» .

3 – модуль «моделирование заливки и кристаллизации» .

4 – модуль просмотра результатов .

5 –модуль просмотра и редактирования базы данных по свойствам сплавов и материалов.

Рисунок 4 – Главное окно программы NovaFlow &amp . Solid CV

Модуль «3D импорт» Осуществляет связь LVMFlow с CAD системами геометрического моделирования.

Основное назначение модуля в преобразовании файлов формата STL во внутренний формат LVMFlow.

Дополнительная функция модуля — это сборка модели из нескольких STL файлов (если это необходимо) или построение оболочки(чек).

Рисунок 5 – открываем модель STL в модуле «3D Импорт».

Рисунок 6 – Инструменты вращения модели.

Необходимо повернуть модель таким образом, чтобы ось Z совпадала с максимальной по длине осью слитка.

После поворота нажимаем кнопу «ФИКСИРОВАТЬ ОРИЕНТАЦИЮ», т. е «закрепляем» положение слитка.

Рисунок 7 — параметры создания оболочки (ПКМ — правая кнопка мыши).

Рисунок 8 — Построение сборки и выход из модуля «3d Импорт».

Рисунок 9 — создаем модель (пока ничего не изменяем).

В LVMFlow каждому используемому в конструкции элементу принято назначать ЦВЕТ. Цвет определяет принадлежность к тому или иному материалу (сплав, материал формы, холодильник и т.д.). Если нескольким элементам конструкции назначить один и тот же цвет, LVMFlow будет считать, что все эти элементы состоят из одного материала.

При сборке конструкции в модуле «3D Импорт» первому загружаемому из STL файла элементу конструкции присваивается голубой цвет. Каждому последующему элементу конструкции, присваивается новый цвет. Пользователь может произвести

переназначение ЦВЕТА любому используемому элементу конструкции по своему усмотрению.

По умолчанию в LVMFlow элементу конструкции представляющему собой отливку назначается голубой цвет.

Назначение конкретного материала, который будет соответствовать выбранному цвету будет произведено в модуле «НАЧАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ».

Рисунок 10 — Параметры отображения.

Рисунок 11 — Параметры отображения (в сечении).

Основное назначение модуля «НАЧАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ» в создании сеточной модели отливки и задании начальных условий, таких как материал формы, сплав, начальные температуры и другие технологические параметры, необходимые для начала моделирования.

При задании сетки определяется размер ячейки и задается размер расчетной области. От заданного количества ячеек разностной сетки зависит точность вычислений при моделировании, время моделирования и детальность представления

отливки.

Рисунок 12 — Отображение геометрии в режиме плоскости сечения.

Рисунок 13 — вывод прозрачной модели

Рисунок 14 — Редактирование сеточной модели.

Рисунок 15 — Задание параметров блока модели.

Данные по материалам LVMFlow хранятся в формате MS ACCESS. База содержит данные по различным литейным сталям, сплавам, а также по материалам формы и другим материалам, задействованным в технологическом процессе.

Литейные сплавы и стали разделены на классы. Металлы, принадлежащие к одному классу, имеют общую базовую диаграмму состояний. Теплофизические свойства для каждого сплава (теплопроводность, удельная теплоемкость, плотность, коэффициент линейного расширения) вводятся в виде температурных зависимостей.

В отдельный класс вынесены материалы формы и вспомогательные материалы.

Рисунок 16 — Материалы формы.

Рисунок 17 – Задание материалов.