Виртуальный инжиниринг литейных технологий в ProCast при подготовке бакалавров по профилю «Металлургия»

Большинство отраслей современного производства активно внедряют компьютерные технологии. Не являются исключением и литейно-металлургические подразделения предприятий. Многие передовые предприятия данной отрасли производства в последнее десятилетие все активней внедряют в технологический процесс виртуальный инжиниринг литейных и металлургических процессов, поэтому востребованность выпускников вуза, способных применять информационно-компьютерные продукты в профессиональной деятельности (в педагогической работе, в технологических разработках) не оставляет сомнений.

При подготовке бакалавров по профилю «Металлургия» в большинстве вузов уделяется недостаточно внимания освоению технологий моделирования процессов получения заготовок и виртуального инжиниринга. В основном изучение компьютерных технологий ограничивается курсом «Начертательная геометрия и компьютерная инженерная графика» в рамках которого студенты знакомятся с ограниченной областью использования компьютера (создание чертежей и, иногда, построение 3D-моделей).  

Изучение дисциплины «Математическое моделирование технологических процессов» и подобных дисциплин в большинстве случаев ограничивается решением задач с использовании MS Excel или различных программных разработок, написанных преподавателями отдельной кафедры отдельного вуза, и мало пригодными для использования в условиях производства, так как они имеют весьма ограниченный функционал и возможности. Современные системы моделирования и виртуального инжиниринга литейных и металлургических процессов, такие как ПО ProCast компании ESI Group, в Российских вузах в рамках подготовки бакалавров применяются крайне редко.

Для решения задачи формирования у бакалавров (профиля подготовки «Металлургия») компетенций по моделированию и инжинирингу технологических процессов получения металлических заготовок следует использовать программные продукты которые наиболее распространены на Российских предприятиях металлургической отрасли, что, несомненно сделает выпускников вуза наиболее востребованными у будущих работодателей.

Наибольшее предпочтение российские литейщики отдают программному продукту французской компании ESI Group – ProCast. Не смотря на то, что данный продукт является зарубежной разработкой он имеет ряд преимуществ по сравнению с российскими и другими западными аналогами:

• Русифицированный интерфейс.
• Работа решателя основана на методе конечных элементов, что позволяет очень точно описать геометрию отливки и приграничных областей, дает более точный результат при решении задач напряженно-деформированного состояния отливки в отличии от метода конечных разностей, а также позволяет дифференциально изменять размер ячеек, что способствует повышению точности расчета и его ускорению.
• Более широкий спектр моделируемых видов литья.
• Наличие специализированного термодинамический модуль для расчета тепловых и механических свойств сплавов по требуемому химическому составу.

В ПО ProCast выполняется моделирование различных видов литейных технологий, таких как:

1. Литье в песчаные формы.
2. Литье в кокиль.
3. Литье в оболочковые формы.
4. Литье по выплавляемым моделям.
5. Литье под высоким давлением.
6. Литье под регулируемым газовым давлением (включая литье под низким давлением, с противодавлением и вакуумным всасыванием).
7. Литье по газифицируемым моделям.
8. Центробежное литье.
9. Непрерывное и полунепрерывное литье.
10. Тиксолитье (литье металла в твердожидком состоянии).
     

Преимущество ProCast в том, что система позволяет выполнить расчёт таких параметров при проектировании технологии изготовления отливок, как:

• Напряженно-деформированное состояние отливки и металлической оснастки.
• Реальных короблений отливки, воздушных зазоров между отливкой и формой, учет его теплового сопротивления, определение взаимного влияния отливки и формы.
• Расчет тепловой задачи, включая процессы кристаллизации и образования усадочных дефектов.
• Расчет пористости и усадки, с учетом растворенных в металле газов.
• Прогнозирование размера и направления роста зерен отливки при ее кристаллизации.

• Моделирование заполнения стержневых ящиков песком при пескодувном процессе получения стержней.
• Определение теплофизических свойств сплава (теплопроводность, теплоемкость, скрытую теплоту кристаллизации).
• Расчет фазовых изменений в структуре металла во время кристаллизации и охлаждении отливки, а также при моделировании термической обработки.

В результате расчета микроструктуры определяются: фазовый состав, средний размер зерна, междендритное расстояние, механические свойства и т.д.

Так, например, моделирование последовательности заполнения металлом формы, расчет зон тепловых узлов, размеров усадки сплава и дефектов отливки наглядно представляет рисунках ниже.

Рисунок 1. Пример моделирования заполнения формы расплавом с распределением температур

Рисунок 2. Распределение усадочной пористости по сечению отливки

Кроме этого ProCast можно использовать для проведения виртуальных лабораторных работ по таким дисциплинам, как «Теория литейных процессов», «Технология литейного производства» и «Производство отливок из черных и цветных сплавов».

Ниже на рисунке представлены результаты исследования жидкотекучести алюминиевого сплава при различных температурах с использованием спиральной пробы.

Рисунок 3. Исследование жидкотекучести алюминиевого сплава по спиральной пробе (зеленым цветом показана длина залитой спирали)

Использование ProCast облегчает понимание процессов, протекающих внутри формы, так как мы наглядно можем видеть, что происходит с расплавом на протяжении всего процесса заливки и кристаллизации отливки в форме. А это, в свою очередь, облегчает выявление причин образования тех или иных дефектов в теле отливки и, следовательно, помогает разработать более правильную стратегию по устранению данных дефектов в более короткий срок.

Пользователями ПО ProCast среди образовательных учреждений, которые осуществляют подготовку бакалавров по профилю «Металлургия» являются следующие ведущие вузы страны:

1. Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (Москва).
2. Юргинский технологический институт ТПУ (Юрга).
3. ГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (Красноярск).
4. МИСиС (Москва).
5. Южно-Уральский государственный университет (Челябинск).
6. ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет» (Пермь).
7. ГОУ ВПО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» (Самара).
8. ГОУ ВПО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» (Иркутск).
9. ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационно-технический университет» (Уфа).

Функциональность и доступность ProCast при использовании в подготовке бакалавров по профилю «Металлургия» открывает широкие возможности для преподавателей и студентов при освоении современных и востребованных на производстве компьютерных инженерных инструментов. Формирование у студентов способностей работать в программах виртуального инжиниринга создает основу для востребованности выпускников вуза, как в учреждениях профессионального образования (техникумы, учебные центры предприятий), ориентированных на подготовку специалистов по наукоемким технологиям для машиностроения и литейного производства, так и в технологических отделах и литейных цехах различных предприятий металлургической отрасли.