ISSN (print) 1995-2732
ISSN (online) 2412-9003

 

скачать

Аннотация

Постановка задачи: в статье рассмотрено современное состояние комплекса задач при оптимизации проектирования литейной технологии для изготовления фасонных стальных отливок ответственного назначения. Выделены основные перспективные направления для исследований – геометрическая и топологическая оптимизация элементов литейной технологии автоматизированными методами конечных элементов. Описаны основные подходы для выбора целевой функции оптимизации или их набора, что необходимо для направленного формирования высоких эксплуатационных (механических) свойств металла в отливке и для конструирования технологичных по питанию стальных отливок с высокими показателями сопротивлению внешним силовым нагрузкам. Цель работы: в качестве объекта для исследований выбрана стальная отливка корпуса запорной (обратной) арматуры судового и общепромышленного назначения, которая имеет конструктивные особенности исполнения – бесфланцевый вариант. Используемые методы: для ее оптимизации выбраны целевые функции – локальный параметр направленности затвердевания и группа расчетных критериев, отвечающих за местный дефицит подпитки жидким металлом. Разработанные методы предполагают выполнение итерационного моделирования затвердевания отливки в форме с применением метода контрольного объема, на каждой расчетной итерации выполняется изменение геометрии элементов литейной технологии (прибылей, литниково-питающей системы) в соответствии с назначенной целевой функцией. За несколько проходов производится постепенное изменение геометрии детали, при этом результаты каждого шага сравниваются с предыдущим до момента достижения приемлемого результата. Приведены результаты топологической оптимизации литого корпуса. Практическая значимость: выполнена переработка варианта литейной технологии, позволившая перейти к новой конструкции, при этом было обеспечено высокое качество отливки без снижения механических свойств литой стали, которые замерялись методом испытаний вырезанных образцов. По результатам расчетов и прямых механических испытаний бесфланцевый литой корпус показал высокие эксплуатационные свойства, включая необходимую жесткость запорного узла.

Ключевые слова

Стальные отливки, топологическая оптимизация, геометрическая оптимизация, запорная арматура, литейная технология, жизненный цикл.

 

Ольховик Е.О. Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова, Санкт-Петербург, Россия

Десницкий В.В. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия

1. Анализ причин брака при производстве стальных корпусных отливок посредством СКМ ЛП LVM FLOW / Сушко Т.И., Леднев А.С., Пашнева Т.В., Руднева И.Г. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2012. № 1. С. 26–29.

2. Колокольцев В.М., Синицкий Е.В., Савинов А.С. Моделирование температурных полей при получении отливок // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. № 3 (51). С. 39–43.

3. Ольховик Е. О. Исследование влияния усадочной пористости и параметров структуры на изменение механических свойств в отливках ответственного назначения из углеродистой стали: автореф. дис. … канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2005.

4. Филимонов И.Е., Гордич А.Г., Прокудин П.А Моделирование напряженно-деформированного состояния тонкостенных корпусных деталей с учетом литейных дефектов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение. 2011. № 31 (258). С. 44–48.

5. Deaton J. D., Grandhi R. V. A survey of structural and multidisciplinary continuum topology optimization: post 2000 // Structural and Multidisciplinary Optimization, 2014, vol. 49(1), pp. 1–38. Available at: http://dx.doi.org/10.1007/s00158-013-0956-z.

6. Allaire G., Jouve F., Michailidis G. Casting constraints in structural optimization via a level-set method // 10th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimization. Orlando, United States, 2013.

7. Jain A. Design of an Aluminum Alloy Swingarm and its Weight minimization using Topology Optimization // SAE Technical Paper, 2015. Available at: http://dx.doi.org/10.4271/2015-01-1356.

8. Doctor Y.N., Patil B.T., Darekar A.M. Review of Optimization Aspects for Casting Processes // International Journal of Science and Research (IJSR), 2015, vol. 4(3), pp. 2364–2368.

9. Swapnil A.A., Dr. Jaju S.B. A Review on Optimization of Gating System for Reducing Defect // International Journal of Engineering Research and General Science, 2014, vol. 2(1), pp. 93–98.

10. Вольнов И.Н. Системы автоматизированного моделирования литейных процессов-состояние, проблемы, перспективы // Литейщик России. 2007. № 6. С. 14–17.

11. Компьютерное конструирование технологичных по питанию стальных отливок / Поляков С., Куцый О.Я., Коротченко А.Ю., Коровин В.М., Баст Ю. // Литейное производство. 2014. № 2. С. 16–20.

12. Проблемы моделирования литейных процессов / Десницкая Л.В., Ольховик Е.О., Пирайнен В.Ю., Глебов С.М., Семенова Ю.М., Матвеев И.А. // Литейное производство. 2010. № 8. С. 25–28.

13. Вдовин Д.С., Котиев Г.О. Топологическая оптимизация рычага подвески грузового автомобиля // Тракторы и сельхозмашины. 2014. № 3. С. 20–23.

14. Десницкий В.В., Ольховик Е.О. Разработка методов автоматизированного проектирования литейной технологии изготовления отливок // Заготовительные производства в машиностроении. 2006. № 4. С. 7–10.

15. Ольховик Е.О., Десницкий В.В. Разработка методов автоматизированного проектирования литейной технологии стальных отливок арматуры нефтегазопроводов // Изв. вузов. Черная металлургия. 2006. № 12. С. 40–43.

16. Ольховик Е.О., Десницкий В.В. Исследование влияния размерной точности отливки боковой рамы тележки грузового железнодорожного вагона на ее прочность // Вестник машиностроения. 2014. № 10. С. 47–49.

17. Ol’khovik E.O. Development process design with effects of technology quality // Applied Mechanics and Materials, 2015, vol. 770, pp. 419–423. Available at: http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/ AMM.770.419.

18. Ol'khovik E. O. Study of the Effect of Shrinkage Porosity on Strength Low Carbon Cast Steel // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2015, vol. 91, pp. 012–022. Available at: http://dx.doi.org/10.1088/1757-899x/91/1/012022.

19. Tavakoli R., Davami P. Automatic optimal feeder design in steel casting process // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2008, vol. 197(9), pp. 921–932. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j.cma.2007.09.018.

20. Tavakoli R., Davami P. Optimal riser design in sand casting process with evolutionary topology optimization // Structural and multidisciplinary optimization, 2009, vol. 38(2), pp. 205–214. Available at: http://dx.doi.org/10.1007/s00158-008-0282-z.

21. Ol’khovik E.O., Butsanets A.A., Ageeva A.A. Use of the distributed computing at the castings solidification simulation // International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS), 2015. Available at: http://dx.doi.org/10.1109/meacs.2015.7414905.

22. Klimeš L., Štětina J. A Rapid GPU-Based Heat Transfer and Solidification Model for Dynamic Computer Simulations of Continuous Steel Casting // Journal of Materials Processing Technology, 2015, vol. 226, pp. 1–14. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.06.016.

23. Michalski G., Sczygiol N. Using CUDA architecture for the computer simulation of the casting solidification process // Proceedings of the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists, 2014, vol. 2, pp. 933–937.

24. Ольховик Е.О., Резник Ю.А. Разработка технологии лазерной сварки сильфонных сборок для судовой трубопроводной арматуры // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2014. № 3 (25). С. 119–122.