Моделирование газового режима литейной формы

Стоимость Стоимость

стоимости

Рис. 2. Затраты на модульность

Модель объектов основана на слабо сцепленных сущностях, имеющих собственные наборы данных, состояния и наборы операций.

Модульность - свойство системы, которая может подвергаться декомпозиции на ряд внутренне связанных и слабо зависящих друг от друга модулей, обеспечивающее интеллектуальную возможность создания сколь угодно сложной программы. Пусть С

Очевидно, решение сложной проблемы требует большего времени. Далее из практики решения проблем следует: С(pl+p2)>C(pl)+C(p2).

Отсюда с учетом отношения

Соотношение (2) - это обоснование модульности и аргумент в пользу модульности, но здесь

отражена лишь часть реальности, так как не учитываются затраты на межмодульный интерфейс. Как показано на рисунке 2, с увеличением количества модулей затраты также растут.

Таким образом, существует оптимальное количество модулей (Opt), которое приводит к минимальным затратам на разработку системы.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОВОГО РЕЖИМА ЛИТЕИНОИ ФОРМЫ А.В. Матохина, Ю.Ф. Воронин, к.т.н.

Газовый режим литейной формы существенно влияет на формирование качества отливок. Материалом, из которого изготавливаются формы и стержни, обычно служит песок и глина. В результате теплового воздействия залитого металла на песчаную форму, из нее выделяются газы, образующиеся при испарении воды, горении органических материалов и др. Часть возникающих газов удаляется естественным путем через знаковые части формы и стержня, другая часть проникает в залитый металл и приводит к образованию различных газовых дефектов. Самый распространенный дефект - газовые раковины, которые образуются при давлении, превышающем некоторый критический порог.

Этой проблеме посвящен ряд работ, в которых получены математические модели газового режима, описывающие газовые выделения из стержней и форм, имеющих простейшее геометрическое строение (цилиндр, конус), также допускаются существенные ограничения (например, металл заливается мгновенно).

В литературе предлагаются различные математические формулы для описания газового режима формы в точке контакта металл-форма, не позволяющие анализировать детали сложной геометрии. Авторами была разработана математическая модель расчета давления газа при изготовлении отливки произвольной конфигурации.

Эта модель позволяет определить время заливки формы для предотвращения образования газовых дефектов с учетом следующих факторов:

П

Vi

Т 3

U-1

Vi

V Т з уу

F„

U -

Vi.

vT V з у у

л/т- tdt + S

- МфРТ + Мфр 0 т- у1п

Р + Р 0

2Р 0

= 0,

где а - относительный коэффициент газовыделения; и-1 (Ь) - объем металла в форме на уровне Ь (изменяется от нуля до V); V - объем металла, который должен поступить в форму; ЕЗМ (1) - площадь зеркала металла на высоте 1; т - время от начала заливки; П(Ь) - периметр формы на высоте Ь; 8н ф. - элементарная площадка, примыкающая к периметру смачивания; Мф - пропускная способность; р - абсолютное давление газа на поверхности контакта с металлом; р 0 - абсолютное давление газа на открытой

поверхности формы, часто равное атмосферному.

Для нахождения давления как функции времени используется следующая формула:

т V

2

р = —-

a" Jvзм (z) Vt- zdz + Mp0Т +

Mt +

2Р 0

где узм(z) -

функция скорости подъема металла от времени.

t

a

Аналитическая реализация данной модели невозможна, поскольку приходится сталкиваться с функциями и уравнениями, решение которых возможно только численными методами, например, возникают такие задачи, как нахождение площади поверхностной формы и стержня сложной конфигурации или кусочно-линейная интерполяция функций по имеющимся значениям.

Для реализации математической модели потребовались:

— язык программирования Borland C++ Builder 6, с помощью которого был создан интерфейс проекта и проводились все необходимые численные расчеты;

— графический пакет AutoCAD 2002, который используется для формирования файла с данными геометрической формы ЭБ-модели отливки.

Программа считывает данные из файла, преобразует в систему исчисления СИ (так как в AutoCAD, например, мерой длины является миллиметр), для удобства вычисления отсчет высоты начинается с нуля (если даже нижняя грань по оси сечения имеет отрицательное значение).

По полученным значениям строятся кусочно-линейные функции Пф0рмыф), Пстержняф) и F3M(h). С их помощью считается площадь поверхности формы и стержня. Для нахождения зависимости всех полученных функций от времени необходимо найти зависимость высоты от времени. Используя формулы математической модели, находим функцию U(h), отсюда h=U-1(GmT) получаем через нахождение обратной функции.

Далее считываются параметры, вводимые с терминала, и данные, соответствующие выбранному пользователем типу формовочной смеси и металла.

Используя данные, указанные пользователем, проводим дополнительные вычисления параметров для формы и стержней: а, V, M, Fnp^ и Fnp.C. Здесь а - относительный коэффициент газовыделения, который рассчитывается по формуле:

a = yj 2n(n + 1)a2

1-

t д — 10 tn — to

Г,

где п - показатель степеней кривой (параболы, описывающей температуру поля формы); a2 - коэффициент температуропроводности формовочной смеси; 1д - температура деструкции связующего; ^ - температура заливки металла; ^ - начальная температура формы или стержня; Г - абсолютная газотворная способность смеси, которая определяется опытным путем в лабораториях заводов для каждого замеса.

Для нахождения объема опор в области фильтрации V используется формула: V=E*W, где W - объем стержня или формы в области фильтрации; Е - пористость смеси.

Из физического смысла и ограничений были предложены зависимости:

S3H>Fnp>Sn0B.CT

^р.ф^пов.ф, Г„р.ф и Fn

:S3H + 1  (Sn

Лн ) ,

где Fnp^ и FnpCT - сечение газового потока формы и

стержня; ^ов.ф и Sn0B.CT

- площадь поверхности фор-

мы и стержня соответственно; 8зн - площадь знака стержня.

Когда все дополнительные вычисления сделаны, приступаем к определению оптимального времени заливки. Для этого фиксируем одно из значений тз из интервала времени 0<тз<тзатв и решаем нелинейное уравнение для определения оптимального времени заливки относительно переменной т, при т> тз.

Процесс происходит в два этапа: 1) находим промежуток времени, на котором функция, стоящая в левой части уравнения, меняет знак; 2) методом деления пополам находим такое время заливки тз, при котором значение функции равно нулю с точностью Е=0,000001.

Далее полученные значения т и тз подставляем в формулу для нахождения давления и проверяем, на сколько значение давления р отличается от оптимального. Если значение не удовлетворяет данному условию, корректируем время заливки. Снова по фиксированному тз находим т и опять делаем проверку. Эти действия повторяем до тех пор, пока не найдем решение или пока время заливки тз не превысит время образования корочки металла тзатв. В первом случае на экране появится результат, во втором будет выведено сообщение, что оптимизация невозможна и стоит изменить вводимые параметры, например, длину пути фильтрации или газопроницаемость смеси.

Автоматизированная система на основе построенной математической модели, архитектура которой представлена на рисунке, состоит из следующих основных окон:

— главное окно с меню "Газовый режим в литейной форме";

— окно для выбора металла и формовочной смеси с отображением значений каждого параметра "Свойства";

— окно для ввода необходимых данных "Параметры для расчета";

— окно со списком металлов "Работа с базой данных металлов";

n

— окно с параметрами пользователя для расчетов давлений газа в конкретной литейной форме "Собственные параметры".

Основная работа происходит с окном "Газовый режим в литейной форме", его пользователь видит после запуска программы, остальные окна появляются при вызове их из меню или щелчком по кнопке на панели инструментов. Для удобства и простоты использования интерфейс был создан под руководством специалиста в области литейных технологий.

Автоматизированная система на основе построенной математической модели помогает производить отладку технического процесса изготовления отливки вне литейного цеха, что позволяет уменьшить процент брака, обеспечить получение литья высокого качества. В программе приведена развернутая информация по газовому режиму в литейной форме с анимированной моделью процесса образования и вывода, что позволяет использовать ее для обучения на ряде предприятий России.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ПРОГРАММЫ НА КАЖДЫЙ ДЕНЬ

Ю.Ф. Воронин, к.т.н.

Решение задачи обеспечения конкурентоспособности металлургической продукции заключается в создании автоматизированных систем поддержки проектирования технологии изготовления отливок, автоматизации поиска причин возникновения дефектов и способов их ликвидации и в повышении квалификации сотрудников литейных цехов.

В Волгоградском государственном техническом университете на протяжении 7 лет ведется работа по созданию программно-методического комплекса поддержки процесса проектирования технологии изготовления отливок из черных сплавов.

Комплекс получил название «Технолог». Основной задачей комплекса «Технолог» является моделирование условий формирования качественных отливок и быстрая ликвидация возникающего брака литья.

Архитектура комплекса «Технолог» (см. рис.) включает две основные подсистемы, работающие удаленно.

1. Подсистема администрирования комплексом является средством работы с базой данных заводов-клиентов и инструментом обновления баз знаний системы «Технолог». Подсистема включает следующие основные модули:

— формирование обновлений - инструментальное средство обновления баз знаний и их рассылки всем зарегистрированным пользователям системы;

— интерфейс администратора, позволяющий работать с историей обновлений, клиентской базой и обрабатывать отчеты заводов-клиентов, присылаемые экспертами.

2. Подсистема пользователей представляет собой комплекс средств информатизации литейного производства. Комплекс включает следующие основные модули и подсистемы:

• модуль авторизации пользователей, позволяющий ограничивать права доступа пользователей и экспертов, работающих с подсистемами, а также отслеживать действия пользователей;

• модуль основного интерфейса пользователей системы, имеющий выход на информационно-справочную систему «Автоматизированный атлас литейных дефектов», которая работает с постоянно попол-

няемой в процессе использования комплекса базой данных примеров дефектов;

• подсистема качественного распознавания дефектов, причин их возникновения и способов ликвидации;

• подсистема ЭКСПЕРТ;

• подсистема моделирования.

Архитектура программно-методического комплекса «Технолог»