Виртуальный инжиниринг

Обзор подготовки задачи QuikCAST в среде Visual

QuikCAST - это второй продукт от ESI Group для моделирования литейных процессов, решатель которого базируется на методе конечных разностей. По сравнению с ProCAST, QuikCAST имеет не такой широкий функционал, например, не поддерживается расчет напряжено-деформированного состояния отливки, что обусловлено ограничениями конечно-разностной сетки. Он в первую очередь ориентирован на моделирование базовых литейных технологий и решение основных дефектов таких, как недолив, неспай, размыв формы, усадочные дефекты.

Также же QuikCAST содержит уникальный модуль для расчета заполнения стержневых ящиков при пескодувном процессе изготовления стержней, позволяющий оптимизировать систему вентиляции оснастки для равномерного удаления воздуха из ящика в процессе его заполнения стержневой смесью и получения стержней с высокой плотностью.

На данный момент компания ESI Group осуществляет переход QuikCAST на оболочку Visual-Cast для подготовки задачи и просмотра полученных результатов, как это было в свое время с ProCAST. Это позволяет получить ряд преимуществ для пользователей: унифицированный интерфейс с поддержкой русского языка, возможность использования одной базы данных как для ProCAST, так и для QuikCAST, включая поддержку термодинамического расчета свойств сплавов по химическому составу, возможность использования адаптированных пошаговых мастеров подготовки задачи для определенных видов литья, что значительно повышает производительность работы. Учитывая простоту подготовки расчетной сетки в QuikCAST, переход на новый интерфейс Visual-Cast выглядит логичным развитием программного продукта, позволяющим повысить удобство работы для пользователя и расширить функционал одновременно для двух расчетных систем.

Ниже мы рассмотрим пример подготовки задачи в QuikCAST в Visual для литья чугунной отливки «Вилка» методом литья в песчаные формы.

Для начала работы в Visual-Mesh необходимо загрузить заранее подготовленную геометрию в формате STL для отливки, формы, стержней, холодильников, экзотермических и теплоизоляционных вставок и др. При загрузке нескольких тел происходит автоматическая проверка/корректировка поверхностной сетки и определение контактов. Опытные пользователи могут также загрузить геометрию в формате Parasolid, Iges, Step или в родном формате CAD системы (поддерживаются SolidWorks, Solid Edge, NX, Catia, Inventor и ряд других) и самостоятельно построить поверхностную сетку для более качественного описания поверхности модели.

Рис. 1. Загрузка STL геометрии в Visual-Mesh для отливки, холодильников и теплоизоляционных вставок

При необходимости можно построить сеточную модель формы непосредственно в Visual-Mesh, выбрав необходимый тип тела (параллелепипед или цилиндр) и задав его габариты.

Рис. 2. Построение формы в Visual-Mesh

После загрузки всех элементов модели осуществляется переход в пост-процессор Visual-Cast, где пользователь может выбрать нужный решатель, с которым он будет работать. Для удобства переключатель решателя вынесен на рабочую панель Cast. При этом, в зависимости от выбранного решателя, изменяется структура меню Visual-Mesh, предназначенная для подготовки соответствующего типа задачи.

Рис. 3. Выбор рабочего решателя на панели Cast

Настройка постановки задачи может осуществляется вручную через меню Cast или рабочую панель Cast, где необходимо задать направление вектора гравитации (Gravity Vector/Tilt), материалы и начальные условия процесса (Volume Manager), граничные условия (Process Condition Manager) и параметры моделирования (Simulation Parameters). Кроме того, есть возможность настроить задачу используя пошаговый мастер подготовки задачи (Workflow), на данном этапе доступен только мастер для настройки задачи литья в песчаные формы – Gravity, однако в будущем будут также доступны другие типы задач, включая литье по выплавляемым моделям, под давлением, под низким давлением, а также специальный мастер для выбора машины для литья под давлением для определенного изделия. Далее рассмотрим подготовку задачи через мастер Gravity.

Первый шаг мастера подготовки задачи литья в песчаные формы включает выбор пути к расчетной папке и имени проекта.

Рис. 4. Первый шаг мастера подготовки задачи: выбор папки сохранения проекта

Второй шаг содержит выбор типа решаемой задачи (заполнение формы и кристаллизация отливки), а также настройку параметров технологического процесса: задание направление вектора гравитации, выбор материалов, настройка начальной температуры сплава и формы, параметров заливки формы. Граничные условия процесса (внешнее охлаждении формы, заполнение формы, газопроницаемости формы, шероховатости поверхности полости отливки, термическое сопротивление на границе отливка-формы) при этом создаются автоматически, при необходимости пользователь может открыть окно граничных условий и изменить предложенные по умолчанию параметры или добавить необходимые условия.

Рис. 5. Второй шаг мастера подготовки задачи: выбор типа решаемой задачи и настройка параметров процесса

Рис. 6. Задание материалов для отливки, формы, холодильников и теплоизоляционных вставок

Рис. 7. Задание точки заливки и скорости заполнения формы сплавом

При задании типа материала происходит автоматическое ранжирование приоритета всех тел: от отливки к форме и остальным элементам (для корректного построения сетки и устранения проблем с пересечением элементов сетки на границе). Такой подход в большинстве случаев обеспечивает правильную расстановку приоритетов всех тел в модели, и не требует ручного вмешательства пользователя.

Рис. 8. Расстановка приоритета всех тел в модели

Наконец, последний третий шаг, содержит параметры решателя и возможность запуска расчета. Перед этим пользователь также может выбрать одну из предложенных схем построения расчетной сетки (грубая, средняя и точная), либо задать параметры сетки вручную. Функция предпросмотра сетки позволяет оценить точность создаваемой сетки при текущем размере ячейки и параметрах ступенчатого увеличения. Перед запуском решателя объемная сетка создается автоматически, если отключена функция No 3D mesh.

Рис. 9. Настройка параметров решателя и запуск моделирования

Рис. 10. Настройка параметров расчетной сетки и предпросмотр для оценки точности

После запуска расчета пользователь может переключить режим Visual-Cast в пост-процессор для просмотра полученных результатов температурного поля, скорости потока, фронта кристаллизации металла, термического модуля отливки, распределения усадочной пористости и других для оценки эффективности рассматриваемой технологии.

Рис. 11. Заполнение формы сплавом с распределением температуры металла

Рис. 12. Скорость потока при заполнении формы

Рис. 13. Критерий недолива формы: высокая вероятность формирования неспая в зоне установки холодильника

Рис. 14. Фронт кристаллизации сплава в форме (отображается количество твердой фазы в сплаве о 0 до 60%)

Рис. 15. Распределение усадочных дефектов в отливке

Таким образом, автоматизация в среде Visual таких процессов, как подготовка модели и сетки, а также использование специализированного мастера подготовки задачи позволила значительно сократить время подготовки задачи и тем самым повысить эффективность применения системы моделирования литейных процессов в рамках промышленного производства.