Заполнение формы

На данный момент у нас имеется трехмерная модель литейной формы. Условимся, что литейная форма была загружена 1-ым способом. Для описания процесса заполнения формы необходимо также указать:

1) Свойства формы

2) Свойства расплава

3) Выбор физических явлений, которые будут учитываться при моделировании

4) Начальные граничные условия

5) Выходные данные

Задание свойств формы

Для получения адекватных значений изменения температуры металла при заполнении полости формы необходимо грамотно задать свойства формы.

Из базы программы можно загрузить уже имеющиеся формы. Для этого нужно выбрать Tools→ Soilds Database (рис. 3.1) и найти подходящий материал. Здесь же можно добавить новую форму, задав ее свойства.

Рис. 3.1. Меню Tools вкладки Meshing&Geometry

Для примера создадим и добавим в базу новую форму. Воспользуемся учебником Баландина Г.Ф. «Теория формирования отливки, часть 1» и внесем в программу данные для формовочной песчано-глинястой сухой смеси с содержанием глины 10% (эти данные указаны в таблицах в конце учебника). В окне Solids Database выберем Add, после чего появится окно Add to Solids Database.

Прежде всего в Unit System (система измерения) устанавливаем SI. Особое внимание следует обратить на коэффициент Heat tranfer to fluid. В том случае, если мы имеем дело с песчаной формой, его значение устанавливается равным -1. Это значение не является физической величиной, а определяет условие плотного контакта. Для кокиля этот коэффициент является коэффициентом тепловой проводимости кокильной краски. Это физическая величина, которая определяется отношением коэффициента теплопроводности кокильной краски к толщине ее слоя. В ячейке Heat tranfer to solidified fluid также вводим значение -1. Obstacle contact angle (угол смачивания) принимаем равным 90.

Далее, согласно таблице учебника принимаем коэффициент теплопроводности (Thermal Conductivity) равным 1,28, а произведение плотности на удельную теплоемкость (Density*specific heat) 1650*1080=1782000.

Начальную температуру формы (Initial Conditions) назначаем равной 293К (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Окно Add to Solids Database

Нажимаем ОК. Чтобы загрузить теперь эту форму, выбираем ее в окне Solids Database и нажимаем Load.

Задание свойств расплава

Свойства расплава задаются во вкладке Fluids. Здесь также существует база сплавов. Мы добавим новый сплав. Для примера возьмем Сталь 35Л. Во Fluids Database нажимаем add.

Данные по расплаву снова возьмем из учебника Баландина Г.Ф.

Во вкладке Basic окна New Fluids Database вводим значения (в системе SI):

- Density (плотность жидкого расплава) = 7000

- Thermal expansion (коэффициент термического расширения) = 0

- Gas constant (газовая постоянная) = 277000

- Reference temperature (исходная температура) = 373

- Specific Heat (удельная теплоемкость жидкого расплава) = 920

- Thermal Conductivity (коэффициент теплопроводности жидкого расплава) = 23,3

- Power Source per Unit Mass () = 0

- Surface tension coeff (коэффициент поверхностного натяжения) = 1,8

- Contact angle (контактный угол) = 90

- Temperature sensitivity (термочувствительность) = 0

- Viscosity (вязкость ) = 0,005

(рис. 3.3а)

Переходим во вкладку Phase Change:

- Liquidus Temperature (температура ликвидуса) = 1778

- Solidus Temperature (температура солидуса) = 1733

- Latent heat of fusion () = 277000

- Specific Heat (удельная теплоемкость твердого раствора) = 753

- Thermal Conductivity (коэффициент теплопроводности твердого раствора) = 54,5

- Density (плотность твердого раствора) = 7500

- Coefficient of solidification drag () = 1

- Niyama temperature () = -1

- Crtitical solid fraction (концентрация твердой фазы, при которой прекращается фильтрация) = 0,67

- Coherent solid fraction (концентрация твердой фазы, при которой начинается фильтрация) = 0,15 (рис. 3.3б)

Рис. 3.3а

Рис. 3.3б

Описание физической модели

Далее мы зададим физические параметры моделируемой среды. В условиях нашей задачи необходимо задать следующие из них:

– Gravity ( гравитация )

В ячейке Gravity Component in the Z-direction вводим значение -9,81 (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Окно Gravitational acceleration

- Heat Transfer (теплообмен)

В качестве модели для решения этой задачи выбирается Fluid internal energy advection 1st Order и устанавливается условие Full energy equation (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Окно Heat Transfer

– Solidification (затвердевание)

Активируем модель затвердевания (Activate Solidification) и задаем условие отсутствия усадки No Shrinkage (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Окно Solidification options

– Viscosity and turbulence

Устанавливаем Newtonian Viscosity (ньютоновская вязкость) и в Turbulence Options (параметры турбулентного потока) выбираем Renormalized Group (RNG) Model (рис. 3.7).Данная модель является рекомендованной для моделирования процесса заполнения формы.

Рис. 3.7. Окно Viscosity and turbulence

Начальные граничные условия

Переходим во вкладку Boundaries. Здесь нам нужно задать условия, при которых расплав будет поступать в полость формы. Открываем дерево Block 1 и нажимаем на кнопку S напротив Y max. На этой границе находится питатель, и здесь мы зададим начальную скорость расплава и его температуру.

В появившемся окне установим в качестве граничного условия скорость расплава, т.е. в Boundary type отмечаем Specified velocity. И в ячейке V velocity (значение скорости по координате Y) вводим значение -0,2 (рис. 3.8). Таким образом, мы направили расплав в полость формы вдоль оси Y со скоростью 0,2 м/с.

Рис. 3.8. Задание начальной скорости расплава при входе в форму

Осталось задать начальную температуру. Мы примем температуру заливки на 100К выше температуры ликвидуса (для более точного значения можно воспользоваться расчетом для определения температуры перегрева из курса лекций ТФО или учебника Баландина Г.Ф.). Открываем Thermal information и в ячейке Temperature вводим значение 1878 (рис. 3.9). Нажимаем ОК.

Рис. 3.9. Назначение начальной температуры расплава

Открываем вкладку Global. В ячейке Finish Time указывается время заполнения формы, его значение всегда задается быть чуть больше ожидаемого. Мы примем его равным 20с. При гравитационной заливке удобно воспользоваться формулой для определения времени заливки (из курса ОТЛП или справочника литейщика):

[с], где

- масса отливки, кг

- коэффициент, учитывающий толщину стенок отливки.

В Finish Condition выбираем одно из условий остановки расчета:

- Finish Time (по времени заполнения);

- Fill Fraction (по заполнению формы);

- Solidified Fluid Fraction (по затвердеванию жидкого расплава).

При выборе Fill Fraction или Solidified Fluid Fraction, в ячейке Finish Fraction указывается, какую часть заполнения или затвердевания нам необходимо рассчитать (соответственно 1,0 в случае полного заполнения или затвердевания).

Выбираем Fill Fraction и устанавливаем 1,0 в ячейке Finish Fraction. Остальные параметры оставляем по умолчанию (рис 3.10).

Рис. 3.10.

Выходные данные

Во вкладке Output указываются данные, которые мы хотим получить по окончании расчета. Эти данные выбираются из списка Selected Data. В нашей задаче мы рассчитаем Fluid Fraction, Pressure, Fluid Temperature, Fluid velocities (рис. 3.11). Условие Basis for Output позволяет нам выбрать интервал графического отображения рассчитываемого процесса. При выборе Time, в ячейке Time Interval под списком Selected Data следует указать время, через которое будут отображаться результаты. А при выборе Fill Fraction в условии Fractional Data указывается значение Fraction Interval, которое показывает, через какую долю выполнения задачи заполнения происходит вывод результатов.

Выбираем Fill Fraction и значение Fractional Interval, равным 0,1 (это означает, что результаты будут выдаваться по заполнении каждых 10% объема формы, т.е. всего получится 10 картинок с данными).

Все необходимые условия для решения задачи заданы. Делаем Save и переходим во кладку Finalize.

Рис. 3.11.