Бюлетин

Анкета

MAGMAsoft – СЪВРЕМЕНЕН, УНИВЕРСАЛЕН И ЕФИКАСЕН
СОФТУЕРЕН ПРОДУКТ ЗА СИМУЛИРАНЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ
НА ЛЕЯРСКИТЕ ТЕХНОЛОГИИ

Георги Евт. Георгиев

Резюме

Представени са основните възможности, идеология и структура на широко разпространения софтуерен пакет MAGMAsoft за симулиране на леярските технологии. Възможностите на пакета са илюстрирани с резултати, получени при компютърна симулация на различни технологични процеси. Симулацията обхваща цялостния леярски процес – запълване на формата, кристализация на стопилката и оценки за качеството и свойствата на получените отливки на базата на множество критериални функции. Особено внимание е обърнато на инструментариума, използван за минимизиране или отстраняване на дефектите в отливката. Показани са средствата и пътищата за оптимизация на леярския процес с цел получаване на висококачествени отливки – отливки със 100% хранене във всяка област на своя обем, без газова порестост или друг вид дефекти. Маркирани са и основните насоки на бъдещото развитие на софтуера, планирани за реализация в следващите версии на продукта.

Ключови думи: математическо моделиране, компютърно симулиране, оптимизация на леярски технологии

Увод

 Леярството е много старо изкуство, но с бурното развитие през последните тридесет години на математическото моделиране и компютърното симулиране в областта на материалознанието, то вече се е превърнало в бързо развиваща се в различни направления наука. Навлизането на компютърния софтуер в световната леярска практика отдавна вече не е екстравагантна украса за ефектно представяне на изделията, а се е превърнало в неразделна част от научно-изследователската, проектантската и развойната дейност, свързана с прецизирането и оптимизирането на леярските технологии, създаването на отливки с високи експлоатационни качества, снижаване на разхода на метал, реализирането на енергетични икономии, рязко съкращаване на времето за цикъла проектиране-реализация, бърза и точна, качествена и количествена диагностика на широка гама от евентуални дефекти.
 Един от световно-известните софтуерни пакети за такива цели е известен под името MAGMASOFT. Той е създаден от фирмата MAGMA GmbH със седалище гр. Ахен, Германия. Пакетът се развива и обогатява непрекъснато от сътрудниците на фирмата, посредством разработката на множество научни проекти с различни звена на водещи немски институти като Института по леярство в гр. Ахен, Макс Планк институт и др. Математическите модели, заложени в програмата, се обновяват непрекъснато като в тях биват отразявани повечето от най-съществените научни разработки в областта на материалознанието, били те обект на докторски дисертации или научни публикации. Разширяват се и се усъвършенстват както математическите модели, обхващайки все по-широк кръг от явления и процеси, така и базата данни, която позволява третирането на все по-широк кръг от материали и сплави, а така също и методите на леене. Общопризнат факт е, че MAGMASOFT няма конкуренция по отношение на вградената база от данни в пакета. По такъв начин, тя успешно се конкурира с най-известните и мощни програми от бранша, като ABBACUS, PROCAST, ANYCASTING, NOVACAST, 3D-FLOW, LM- FLOW, PATRAN и др.
В тази връзка би следвало да се отбележи, че в нашата страна и по-точно в Института по металознание при БАН “Акад. А. Балевски” (Имет-БАН) в гр. София се разполага с MAGMASOFT от повече от 10 годни. Първоначално, програмният пакет бе предоставен за научни изследвания, като резултат от успешно съвместно изпълнение на проект “COPERNICUS” – една от водещите европейски програми за научно развитие. От 2005 година насам, Имет-БАН е изключителен и официален дистрибутор на програмните продукти на MAGMASOFT за България и разполага с последните им версии. Той е оторизиран както да продава лицензи за ползване на програмите, така и да сключва договори за оказване на технологична помощ и реализиране на конкретни проекти с извършване на симулации и оптимизации на конкретни леярски технологии.
Настоящото изложение има за цел да представи кратко описание на структурата и възможностите на пакета за симулиране на различните леярски технологии, като наблегне на неговите нови възможности, предлагани в последните му версии.

1. Общи структурни особености и принципи на работа със софтуера.

MAGMAsoft е широкообхватен програмен продукт за компютърна симулация на физическите процеси при формиране на отливки и позволява третиране на почти всички използвани в съвременната практика методи на леене. Особено внимание се обръща на:
· запълването на леяковата система и формата със стопилка при условия максимално близки до реалните;
· процесите на топлопренос и кристализация /включително и по време на запълването/;
· оценка на формиралата се структура и разпределението на евентуални дефекти на базата на голям набор от критериални функции.
Работата с тях  се осъществява на няколко етапа:
· организация и управление на симулационните проекти - модул “Project Manager” (в MAGMAsoft този модул носи името MAGMAproject):
· геометрично моделиране на  системата отливка - форма - леякова система в модул “3-D моделиране”(Preprocessor);
· генериране на мрежа от пространствени елементи в З-D ( в  Enmeshment);
· избор на вида на леене и задаване на основните технологични параметри – модул “Пред-процесорна обработка” (Preprocessor и Simulation);
· симулиране на процеса на запълване на леяковата система и формата със стопилка при съвместно решаване на задачата за течението на флуида със задачите за топлопренос и топлопредаване (Simulation);
· симулиране на процесите, протичащи по време на кристализацията на отливката (Simulation);
· симулиране на цикличен леярски процес в случаите на леене под ниско налягане, леене с газово противоналягане или леене с машини под високо налягане (Simulation);
· пространствена, цветно кодирана визуализация на получените резултати - модул “След-процесорна обработка” (MAGMApost - Postprocessor);

Геометричният моделиер притежава голяма гама от готови, разнообразни геометрични фигури и широк набор от операции над тях като транслации, ротации, мащабиране, екструдиране и др., които позволяват бързо и точно построяване на обекти и системи с най-сложна геометрия. В същото време се осъществява визуализация на системата от тела едновременно в три различни ортогонални проекции и в перспектива – Фиг.1.

 
Софтуерът е снабден с автоматичен и бърз генератор на мрежа от елементи, която разбива системата от тела (Фиг.2) на контролни обеми за целите на използваните числените методи. На всеки от използваните материали с помощта на специално организирана база от данни се присвояват всички параметри и физически константи, необходими за симулацията. В повечето случаи това са сложни функции на времето или температурата. За всяка гранична повърхност на пространствените области, участващи в системата, следва да се зададат подходящи гранични условия, за които се предлага богата библиотека от възможности. Базите данни като правило поддържат няколко вида библиотеки - централна, на потребителя и индивидуална за конкретния проект и др., създавайки удобства и комфорт при ползването им.
Симулирането на леярския процес в повечето случаи е реализирано на модулен принцип. На всеки леярски метод съответства отделен специализиран модул. По този начин, чрез богат модулен набор, програмните пакети поддържат широк клас от леярски методи - гравитационно леене, леене под ниско налягане, леене под високо налягане, течно и полутечно щамповане, цикличен леярски процес и много други.
Всеки вид симулиране се предхожда от пред-симулационна подготовка, протичаща в диалогов режим, в който потребителят трябва да зададе необходимите параметри.

2. Основни възможности на софтуера. Общи модули.

 Първият от общите модули (МAGMAfill при MAGMAsoft) симулира процеса на запълване на леяковата система и кухината на формата със стопилка, като решава едновременно и задачата за топлопренос в цялата система: стопилка, форма, охладителна система и кристализация на стопилката (ако има такава). В резултат потребителят разполага с възможно най-пълната информация за процесите по време на запълването:
визуализация на движението на флуида и неговото температурно поле във всеки момент от запълването – Фиг.3 и векторно представяне на скоростите на флуидните частици и цветово изображение на налягането по време на запълването – Фиг.4;

. многократно увеличение / лупа / на всеки детайл от системата – Фиг.5;
· визуализация на турбулентни или струйни ефекти / най-често нежелателни/ - Фиг.6;
 

· траекториите на предварително избрани частици на стопилката – Фиг.7
· визуализация на движението на флуида при прозрачност на запълваните обеми – Фиг.8 (X-ray option);

Особено важна възможност е симулирането на процесите на фазови превръщания още в процеса на запълване на формата – Фиг.9. Притежаването на такава възможност е особено важно при леене на тънкостенни отливки в метални форми при относително високо ниво на топлообмена. От една страна, кристализиралата вече фаза променя условията, при които се осъществява течението на стопилката, което е важно да бъде отчетено за да бъдат получени реалистични резултати. От друга страна, преждевременната кристализация може да доведе до блокиране на течението и в крайна сметка до негодна отливка, за което също е важно да бъде получена достоверна информация.

Температурното поле на всички компоненти на системата отливка-форма може да се следи по време на кристализацията след запълване на кухината на формата (Фиг.10). MAGMAsoft предлага специализирани критерии за прогнозиране на качествата на отливката. В повечето случаи това са феноменологични критериални функции, които представляват различни комбинации от производни на температурното поле. Тяхната корелация с различни свойства на отливката е проучена и добре известна отдавна[1,2]. В най-общ вид те могат да бъдат представени с

Различни набори от стойности на параметрите { Co, a, b, g, d} формират конкретна критериална функция. MAGMAsoft е единствена измежду известните леярски програми за симулация, която предоставя възможността, потребителят сам да въвежда вида на тази функции по собствено усмотрение. Стойностите на тези функции могат да се визуализират във всяка точка на отливката. Най-важните и информативни от тях са:

Термичен градиент G = дТ/дx [Co =1, a =1, b =0, g =0, d =1 от формула (1)] и скорост на охлаждане R= дТ/дt [Co =1, a =0, b =1, g =0, d =1 от формула (1)]. Ниските стойности на двете величини тясно корелират с големината па първичните депдрити. По-грубата дендритна структура понижава механичните качества на отливката и в най-голяма степен - пластическите свойства па материала. [Co =1, a =1, b =0, g =0, d =1 от формула (1)]

Критерий Niyama е най-често използвания критерий, който оценява вероятността за възникване на порестост в дадена област на отливката. Представлява функция от величините - термичен градиент G = дТ/дx и скорост на охлаждане R= дТ/дt, а именно N=GR-1/2 [Co =1, a =1, b =-0.5, g =0, d =1 от формула (1)]. Ниските стойности на N корелират с висока вероятност за пористост – Фиг.11.

Време за кристализация ε и свързаният с него SOLTIME.Този критерий е свързан с размера на вторичните дендритни разклонения - DAS. За всяка конкретна сплав функционалната връзка между ε и DAS има специфичен вид. От друга страна съществува добре установена обратна зависимост между големината на DAS и якостта на опън (UTS). Неговият вид в един конкретен пример за автомобилна джанта може да бъде видян на Фиг.12.

 
Ефективност на подхранване. Критерий, който показва каква част от течният метал, необходим за компенсиране на обемното свиване, успява да премине през дендритната мрежа до фронта на кристализация. Той зависи както от условията, при които протича кристализацията, така и от свойствата на сплавта. Първите се отчитат от физическите модели, заложени в софтуера, а вторите са зададени в базата от данни. Предвидена е възможност обемният дефицит да се интерпретира като обемна порeстост и да бъде получено нейното количествено разпределение в обема па отливката. Резултатите от този критерий се визуализират под названието HOTSPOT и дават отчетлива картина на евентуалните термични възли – Фиг.13.
Използвайки комплексна критериална оценка за условията на кристализацията във всяка локална област на отливката MAGMAsoft предлага предсказание за очакваната микроструктура в тази област. Една визуализация на тази възможност на примера на автомобилна джанта от AlSi7Mg може да бъде видяна на Фиг.14.

Erosion Criteria. На базата на симулацията на взаимодействието между стопилката и пясъчната форма, софтуерът предлага критерий – “Erosion Criteria” за прогнозиране локализация на зоните от повърхността на формата, застрашени от разрушаване по време на процеса на запълване – Фиг.15.

3. Специализирани модулни пакети.

По-нататък ще бъдат разгледани няколко специализирани модулни пакети на MAGMAsoft, които представляват нейно уникално “ноу-хау” и й дават съществено предимство пред останалите сродни софтуерни пакети.
3.1. MAGMAlpdc - предназначен за леене под ниско налягане и по метода Балевски-Димов с газово противоналягане[3] (Фиг.16-17). Той позволява да се реализират специфичните за метода хидродинамични параметри на леене. Най-подходящ е и за третиране на леене по метода с газово противоналягане. Снабден е със всички необходими инструменти за симулирне на цикличния леярски процес във всички негови детайли: гъвкаво и универсално управление на въздушни и водни охлаждания, на евентуални нагреватели, отчита влиянието на основните фактори и операции, влияещи на термодинамичното състояние на всеки от детайлите на прес-формата, когато тя е отворена – опресняване на обмазката, допълнително охлаждане с въздух или водна емулсия, конвективно охлаждане на въздух към околната среда и много други.

3.2. MAGMAiron е модул за МИКРОСТРУКТУРНО моделиране чрез симулиране на кристализацията и ПРЕВРЪЩАНИЯТА В ТВЪРДО СЪСТОЯНИЕ на чугуни и съпътстващите ги явления. Симулацията на кристализацията се реализира на съвременно ниво за различни видове чугуни. Модулът е специализиран за третиране на евтектичен сив чугун с пластинчата форма на графита, евтектичен сферографитен чугун и евтектичен бял чугун. Използвани са най-съвременните модели за кинетиката на фазовото израстване и съпътстващите я явления при кристализация на чугуни. Модулът използва законите, на които се подчинява кристализацията, за да пресметне формирането на микроструктурата и влиянието на графитизацията или свиването и третира следните процеси:
· пластинчато евтектично израстване на А-тип графит;
· пластинчато евтектично израстване на D-тип графит;
· сферографитно евтектично израстване;
· бяло евтектично израстване;
· превръщане в твърдо състояние на аустенита във ферит и перлит;
· разпадане на перлит;
· Смукнатините на ковкия чугун се определят чрез пресмятане на свиванията и разширенията на аустенита и графита по време на кристализационния процес. За чугун със сфероидален графит ( SG чугун) може да бъде пресметнато следното:
· броят на сфероидите /глобулите / в сферографитен чугун Фиг.18;
· фракция на перлит /Фиг.19/ и ферит /Фиг.20/;
· дебелина на ферита в чугун със сфероидален графит ( в mm);
· разпределение на твърдост по Бринел (НВ);
· разпределение на минималната граница на якост на опън ( в N/mm2);
· разпределение на минималната граница на провлачане ( в N/mm2);
· разпределение на модула на Юнг ( в N/mm2);
· разпределение на минималното удължение при разрушаване (в %);
· прогнозиране на застрашените от дефекти области в отливката.

За чугун могат да бъдат пресметнати:
· разпределение на големината на евтектичните клетки (в mm);
· разпределение на размера на пластините ( в mm);
· количество и разпределение на преохладен графит;
· разпределение на твърдост по Бринел (НВ);
· разпределение на минималната граница на якост на опън ( в N/mm2);
· количество на белия чугун.

3.3. MAGMAbatch - за симулиране на цикличен технологичен процес при формиране на отливки;

3.4. MAGMAsress - модул, работещ съвместно с MAGMAsolid, пресмятащ напрегнато-деформируемото състояние на системата отливка-форма на базата на термоеластично-пластични математически модели. Позволява симулиране и прогнозиране на текущите и остатъчните напрежения в отливка и форма – Фиг.21. На тази база софтуерът предлага специализиран критерий – “HOTTEAR” за локализиране на зоните, застрашени от горещи пукнатини – Фиг.22. Модулът работи както при леене в пясъчни форми, така и при леене в метални пресформи.

3.5. MAGMAsteel – специализиран модул, третиращ проблемите, свързани със симулацията на стоманени отливки, снабден със съответните физически модели за формиране на структурата им – Фиг.23. Най-съществените от тях са:
· описание на термичната конвекция на компонентите в течната фаза – Фиг.24;

· отчитане на дифузията на компонентите на сплавта в твърдо състояние;
· описание на ликвацията по време на кристализация – Фиг.25;
· симулация на температурното поле и прогнозиране на фазовото разпределение при термообработката на николегирани стомани – Фиг.26;
· CCT диаграмите на сплавта – Фиг.27.

3.6 MAGMAhpdc -за симулиране на процесите при формиране на отливки при леене с високо налягане – Фиг.28.

4. Насоки на развитие на софтуера в близко бъдеще. MAGMA’5 – софтуер от ново поколение за симулация и оптимизация на леярските технологии.

След повече от двадесет годишно развитие и усъвършенстване на MAGMAsoft, през настоящата година MAGMA Giessereitechnologie GmbH започна поетапно анонсирането на софтуер за симулиране на отливки от нова генерация. Той не е просто нова, усъвършенствана версия на досегашния пакет от програми, а представлява коренно нов софтуерен продукт, базиран на най-съвременните фундаментални научни познания в областта на материалознанието и на последните достижения в IT технологиите. Посредством нови високи стандарти, той ще предложи революционни решения в областта на оптимизацията на класическите и специалните методи на леене. По-долу са изложени най-важните иновации в него.

4.1. Геометричен Моделиер:

· 3D – CAD визуализация;
· Възможност за булеви операции на телата;
· Интерактивно редактиране;
· Съвместимост с CAD формати: STEP, CATIA, PRO/E
· Автоматично генериране на “TRASER” в “INLET”-а.

4.2. Усъвършенствания при моделиране на запълването на формата:

· Отчитане на влиянието на повърхностното
напрежение;
· Нов по-съвършен и по-точен модел за
турбулентност.

С новия модел на запълването на
кухината на формата със стопилка
ще може да се симулира движението
на реални частици с крайна маса и
размери, внедрени в стопения метал.
Ще могат да се проследяват както
техните траектории, така и крайното им
разпределение.

 
4.3. Усъвършенствания при симулиране на кристализацията:

· Елементите на леяковата система,
както и мъртвите глави ще могат да
бъдат отстранявани, с което в
симулацията ще бъде включена
машинната обработка на отливките;
· Софтуерът ще предоставя достоверни
предсказания за формиралата се
микроструктура и механични свойства
както за черни, така и за цветни сплави.

 
4.4. Нови възможности при визуализацията на резултатите:

Новият модул за визуализация на резултатите ще предлага множество нови възможности и похвати за по-детайлна визуализация и оценка.    

4.6. Нови специализирани критерии ще помагат за идентификацията и локализацията на евентуални дефекти:

“Penetration Criteria”:

Локализация на областта и дълбочина на проникване на течния метал в стената на пясъчната форма
 

“Burn-On Criteria”:

Локализация на области,
застрашени от „пригар”.

Той ще е базиран на оценка
на термичните условия
в зоната на контакта.

  
„Soldering Criteria”

MAGMA’5 ще локализира области от работната повърхност на металните форми, застрашени от спояване (прилепване) с материала на отливката. 

5. Заключение
Съвременните софтуерни пакети за симулация на леярските технологии са базирани на най-съвременни математически модели на физическите процеси, протичащи при формирането на отливките, което го прави изключително полезно средство за:
· Прогнозиране на почти всички срещани леярски дефекти;
· формиране на висококачествени отливки;
· прогнозиране на структурата и механичните качества на изделията;
· оптимизация на широк кръг от леярски технологии;
· оценка и контрол на качеството на произвежданата продукция;
· повишаване на икономическата ефективност и конкурентността на леярските технологии.
Следва да се отбележи обаче, че успешното прилагане на този мощен инструментариум не може да бъде ефикасно реализирано без рязко повишаване на професионалната квалификация на кадрите в бранша. Предстои да се извърви още дълъг път на сближаване на натрупания евристичен опит с най-новите модерни научни постижения в материалознанието и от там до успешното прилагане на компютърното симулиране.
Друг важен фактор за получаването на реалистични резултати със софтуерните продукти е щателният и прецизен подбор на необходимите материални параметри, при това в целия актуален температурен диапазон. В противен случай, софтуерните продукти ще дадът много красиви, но безполезни за практиката решения.

6. Литература
1. Huang, H., J., T. Berry, T.S. Pivonka, The use of Criteria Functions to predict Porosity in aluminum Alloy Investment Castings, 40-th Annual Technical Meeting, Investment Casting Institute, (1992).
2. P. R., Sahm, P. N. Hansen, Numerical Simulation and Modeling of Casting and Solidification Processes for Foundry and Cast-House, CIATF, p.106-192, (1984).
3. Arsov Y., E. Momchilov, K. Daskalov, G. Bachvarov, Theoretical and Technological Fundamentals of Gas Counter-Pressure Casting, ISBN 978-954-322-199-8, Sofia,2007.

1 MAGMAsoft е запазена марка на MAGMA Giessereitechnologie GmbH, гр. Ахен, Германия.