- Katedra Mechaniki Teoretycznej Pol. SI. Gliwice

Transkrypt

1 Solidification of Metais and Alloys, No.30,!997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 30, 1997 PAN- Oddział Katowice; PL ISSN ZBIGNIEW JURA- COLDCAST- ZESTAW PROGRAMÓW KOMPUTEROWYCH DO SYMULACJI PRZEPŁYWU CJEPŁA W artykule omówiono zestaw programów komputerowych do symulacji zjawiska przepływu ciepła. Programy wyk o rzy s tują m e tod ę róż nic sk01\czonych do obliczania pola temperatur w układ z i e dwuwymiarowym płaskim lub walcowym. Programy pozwalają na symulację krzepni ęc ia metalu z uwzgl ę dni e ni em wydzielającego się ciepła krz e pnięcia. Istnieje możliwość symulacji reakcji egzotermicznych (na przykład nadlewy egzotermiczne) oraz obróbki ci eplnej dla zadanej charakterystyki temperatura - czas. Zestaw programów jest wykorzystywany w prze myśle oraz do celów dydaktycznych w Katedrze Odlewnictwa Plitechniki Śląski ej w Gliwicach. L OGÓLNE ZAł,OŻENIA Zestaw programów komputerowych ColdCAST nazywany w dalszej cz((ści artykułu systemem ColdCAST w pierwotnym założeniu został opracowany w celu wykonywania symulacji komputerowej procesów odlewniczych ze szczególnym uwzglttdnieniem zjawisk cieplnych, wystttpujących podczas krzepnittcia metalu. Uwzglttdniono również zjawiska wystt(pujące podczas spalania mas egzotermicznych stosowanych najczttściej jako osłony nadlewów. W trakcie eksploatacji systemu rozszerzono znacznie jego możliwości. Mittdzy innymi dodano mo ż liwość zadawania temperatury wybranych elementów oraz warunków otoczenia w funkcji czasu. Pozwoliło to mittdzy innymi na wykorzystanie systemu do przeprowadzania symulacji obróbki cieplnej. Pierwotnie system był wykorzystywany do symulacji procesów odlewniczych, niemniej jednak dziqki elastyczności zastosowanych rozwiązań, oraz ogólności metody rozwiązywania równania przepływu ciepła, system może być wykorzystywany do wszelkiego rodzaju symulacji przepływu ciepła. Mittdzy innymi wykonano symulacjt( przepływu ciepła przez osłony izolacyjne pieca tunelowego do obróbki cieplnej. Przy opracowywaniu systemu przyjt(to nastttpujące założenia: 1. Zachowanie dużej cłastyczności systemu pozwalającej na wykorzystanie w możliwie dużym zakresie zastosowań. 2. Wykorzystanic do obliczeń dostępn ego i relatywni.e taniego sprztttu *mgr inż. - Katedra Mechaniki Teoretycznej Pol. SI. Gliwice

2 120 Zbigniew Jura komputerowego. Uwzgl~dniając specyfik(( polskiego rynku komputerowego przyj~tto, że system będzie implementowany dla komputerów typu IBM PC. Minimalna konfiguracja komputera to procesor Intel MHz, 4MB pamic:;ci operacyjnej i około 10MB wolnego miejscu nu dysku stałym komputera. Do optymalnego wykorzystania systemu zalecany jest komputer wyposażony co najmniej w procesor Intel 486 loomhz i 8MB pami((ci operacyjnej. Od wydajności komputera zależy jak skomplikowane zadania będzie można symulować za pomocą systemu. 3. Całkowita.. polonizacja" systemu pozwalaj<jca na wykorzystywanie go przez osoby nieposiadaj<)ce znajomości języka angielskiego. 4. Modułowa budowa (wiele niezależnych programów) pozwalająca na dopasowanie możliwości systemu do wymagań użytkownika. 5. Możliwie bogata biblioteka danych fizycznych i cieplnych o materiałach stosowanych w symulacji z możliwością prostej rozbudowy biblioteki przez indywidualnych użytkowników. Obecnie biblioteka zawiera dane o około 100 materiałach, zarówno metali, stopów jak i materiałów formierskich i izolacyjnych. W najbliższej przyszłości b<:;dzic uruchomiona biblioteka materiałów dostępna dla użytkowników systemu poprzez sieć intcrnet. 2. OPIS SYSTEMU System został podzielony na niezależne moduły - programy obsługujące poszczególne etapy pracy nad projektem. Wszystkie programy zapamiętuj<! aktualny stan pracy, dzi((ki czemu nic wymagane jest od użytkownika bieżące zapamiętywanie aktualnego ustawienia poszczególnych programów. Ustawienia S<! zapamil(ty.vane razem z konkretnym projektem. Dzil(ki temu przy ponownym wybraniu obliczanego wcześniej projektu użytkownik rozpoczyna pracę przy takich ustawieniach, jakie były w momencie poprzedniego zakończenia tego projektu. Wszystkie programy S<) zintegrowane poprzez program główny nadzorujący prace:; systemu. Posiada on menu wszystkich programów oraz plansz(( z najważniejszymi incjami dotyczącymi aktualnie wykonywanego projektu. System w chwili obecnej składa sic:; z nast<.(pujących elementów: 1. Program główny nadzorujqcy prac<.( calego systemu. 2. Program zarzqdzający projektami, pozwala na przeglqdanie wykonanych symulacji oraz rozpoczynanic nowych. 3. Program zarządzajqcy baz<) danych o materiałach. Pozwala na dodawanie i edycj(( danych fizycznych i cieplnych materiałów stosowanych w symulacji. Dane zapisywane są w cie tekstowym, pozwalającym na łatw<j modyfikację lub uzupełnienie. 4. Program edycji opisu geometrii oraz warunków brzegowych i poczqtkowych dla danej symulacji. Obcenie jest to program pozwalaj<jcy na edycję

3 ColdCAST- :estaw programów komputer. do symulacji przeplywu ciepla 121 tekstową. W kolejnej wersji systemu b((dzie umieszczony edytor w pełni graficzny. 5. Program symulacji numerycznej do obliczania pola temperatur dla zadanej geometrii wraz z kompletem danych fizycznych i cieplnych oraz odpowiednich warunków brzegowych i początkowych. Program jest w pełni graficzny, pozwala na prezentacj<; przebiegu symulacji w postaci izoterm lub wykresów temperatury w wybranych punktach. 6. Program do analizy post-obliczeniowej (postprocesor) umożliwiający przedstawianic wyników obliczeń w postaci dowolnych kombinacji wykresów, również z obliczaniem pochodnych. Kopia ekranu przedstawiająca prac(( programu głównego została pokazana na rys. 1. Nazua pllku geometr11: czr.lj->_l.t GM S ynm lac ja ~aleujo.neqo c r.: o pa kadz 1 odlet.jr.lczej. Ji'onn 9. z och ła dzalntk le m Dara nslarn) P j modytikfi~jt: tfi:jl Na dysk'..t dostepne sa uyn1ki oblic: ze n Rys.l. Progrn m główny systemu ColdCAST Fig. l. Ma in program uf ColdCAST system 3. PRZYKłADOWA SYMULACJA Poniżej przedstawiono wykresy pola temperatur dla przekroju odlewu czopa kadzi odlewniczej. Na wykresach widoczny jest umieszczony w osi stalowy czop. Czop umieszczony jest w formie przed zalaniem. W celu ukierunkowania frontu krzepni<;cia ciekłego metalu w formie, zamontowano poniżej czopa ochładzalnik. Na rys. 2 do 5 pokazano pola temperatur w obszarze krzepnącego metalu. Pola temperatur mog<i być pokazane w kolorach lub tak, jak to pokazano poniżej w odcieniach szarości. Wzór wypełnienia odcieni został specjalnie dobrany dla łatwiejszego identyfikowania poszczególnych odcieni ze skalq temperatur. Istnieje możliwość przenoszenia kolorowych i

4 122 Zbiglliew lura czarno-białych rysunków pól temperatury do dowolnego programu graficznego oraz wykonania kolorowego wydruku. = t sao. n z~t l iq = o T f'onl :: n T oto ::: i~~~~i~ijijij!ii~iiili~~;i;;;;;;~:::±:::j ' lj_ ochładzałnik 37 3 '(3 l J 1373.' ll:jj = 14'J4. 0 T (4 l :: Cl:!lł = 12: u (till= X Rys.2. Pole temperatur czopa po 120 s. Fig.2. Tcmperature tielu after 120 s. [1 'r' l J 'UO.O O L o o s o H:ao.o o 1~;:!; o D ochładzałnik 12'/, u '3"/, f l CZA!łl :: Jt hol:: 2. 00?;.t. l Rys.3. J>ole temperatur czopa po 240 s. Fig.3. Temperaturc field after 240 s.

5 ColdCAST- ::.es/aw programów komputer. do.\)'flllllacji pr::.eplywu ciepła '[ O L o o s 12:60. o o " o t5i!:o.n o o ochładzałnik 42 7.l. 92:1.7 l.:jo.l n o.o 2.00 RysA. Polc temperatur czopa po 8 min. FigA. Tcmpcr:Jture licld :JI'tcr 8 min., 1 l o o ochtadzalnik 10 c... 'IL'I ' ' 13:0:4. :J 1371&. 9 CTł'O.. = 1r. n. n t.ll (-.] :.-.AD Rys.."i. Polc tcmpcrjtur czop:~ po ló min. Fig.S. Tcmpcr:Jturc lield :Jftcr 16 min. Ponadto w trakcie wykonywania symulacji rejestrowane były wartości temperatur w czterech wybranych punktach. Wykres wartości temperatur w funkcji czasu pokazano na rys.6.

6 124 Zbigniew Jura Rys.ó. Temper:.~tur:.~ w wyhr:.~nych punkt:.~ch Fig.6. Tcmper:.~ture in selected points 4. WNIOSKI Prezentowany system do symulacji przepływu ciepła jest wykorzystywany do obliczeń, zar6wno probkm6w bezpośrednio związanych z procesami odlewniczymi, jak rówmez do obliczeń izolacji cieplnych oraz osłon egzotermicznych do nadlewów.jest również z powodzeniem wykorzystywany w zaj<;ciach dydaktycznych z technologii odlewania. Zbigniew Jur:.~ ColdCAST - nuputer system for heal transfer simulatiuns Summ~1ry In this atriclc t he system of cnmpuler programmes for!wal transfer simulation in solids is prcscntcd. 'llll'sc programmes takc advantagc nf finitc-dillcrcnce ml'thod for temperature calculalinns in rcctangubr or cyllindrical two-dimcnsional conrdinatcs. 'Illl'y make also po ś sibl e tn simulatc thc snlidyfing metal cnmidnin g thc snlidificatinn hcat. ll1erc is possibility to simula te t he cxnthcnnic reactions ( c.g. nothennic riscr heads) m; we l l as t he he at treatmcnt for charactcristic lemperature-time. ll1is programmes sys tem has been used in industry and in cducation at Foundry C hair of Silcsian Tcchnical Univcrsity in Gliwice.