NOWA GENERACJA OPROGRAMOWANIA WSPOMAGAJĄCEGO PROJEKTOWANIE PROCESÓW ODLEWNICZYCH

Transkrypt

1 Sol ijification of Metais and Alloys, No.30, 1997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 30, 1997 PAN - Oddział Katowice; PL ISSN MARCIN PERZYK. NOWA GENERACJA OPROGRAMOWANIA WSPOMAGAJĄCEGO PROJEKTOWANIE PROCESÓW ODLEWNICZYCH Przedstawiono analizę dwóch rodzajów oprogramowania stosowanego w projektowaniu procesów odlewniczych: typu tradycyjnych obliczei1 inżynierskich oraz programów symulacyjnych. Omówiono zasadnicze cechy specjalizowanego pakietu narzędziowego Design Engine slużącego do efektywnego tworzenia programów pierwszego typu. Zaprezentowano dwie pierwsze aplikacje pąkietu wspomagające projektowanie ukladów zasilania odlewów staliwnych oraz projektowanie cieplne kokil. l. WPJ.WWADZENIE Komputerowe wspomaganie prac inżynierskich o charakterze projektowym, stające się w coraż większym stopniu codzienną praktyką w przemyśle, obejmuje stosowanie kilku głównych rodzajów oprogramowania: numerycznej procesów fizycznych, bazy danych typu CAD - do zapisu geometrii wyrobu, programy tradycyjnych obliczeń inżynierskich, systemy ekspertowe, programy symulacji - lokalne i internetowe, arkusze kalkulacyjne. Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej komputerów rozpowszechnia się stosowanie programów symulacyjnych, które w odlewnictwie stają się coraz bardziej złożone, obejmując nie tylko makroskopowe zjawiska płynięcia, krzepnięcia i mechaniki stopów, ale także modelowanie struktury materiałów. Symulacja jednak kosztuje, co wynika z cen oprogramowania, sprzętu, konieczności zatrudniania wysoko kwalifikowanego personelu oraz znacznej czasochłonności przygotowania i wykonania obliczeń. Z tego faktu \\')mika zresztą obszar zastosowań programów symulacyjnych: stosuje się je głównie przy opracowywaniu technologii w produkcji jednostkowej i małoseryjnej, gdzie wysoki koszt prób warsztatowych związany z poprawianiem oprzyrządowania nie ma szans na zwrot. Na przykład, w wielkich zakładach Renault produkujących samochody zaledwie ok. 5% odlewów jest sprawdzanych przez programy symulacyjne, natomiast w wielu stosun- dr hab. inż. - Politechnika Warszawska

2 186 Marcin Perzyk kowo małych odlewniach brytyjskich realizujących niewielkie zamówienia klientów 'zewnętrznych' udział ten wynosi l 00%. Należy zauważyć, że obliczenia symulacyjne mają charakter sprawdzający u kład uprzednio zaprojektowany, natomiast nie podają rozwiązania prawidłowego. Rozwiązanie takie musi zaproponować technolog, którego mogą wspomagać programy innych typów, w tym służące do wykonywania tradycyjnych obliczeń inżynierskich. Programy tego typu integrują w sobie metody, które używane są także bez stosowania technik komputerowych, a więc powinny stanowić połączenie poradnika, tablic z danymi materiałowymi, kalkulatora i notesu. W przeciwieństwie do programów symulacyjnych, są one tanie, niewymagające zaawansowanego sprzętu i wysokich kwalifikacji użytkowników, a ponadto v.ryniki o trzymuje się natychmiast i to w postaci konkretnych, pożądanych w danym przypadku wymiarów czy parametrów. Rola tego typu oprogramowania jest zatem podwójna - może ono być stosowane jako: a) Narzędzie samodzielne, używane jako jedyne w przypadkach, gdy stosowanie symulacji numerycznej jest nieopłacalne lub nie odpowiadające naturze zagadnienia projektowego. W stosunku do obliczeń 'ręcznych' ma ono olbrzymią przewagę, wynikającą z szybkości obliczeń, dostępności do poprawnych wzorów i danych oraz unikania błędów rachunkowych. Łatwe staje się projektowanie wielowariantowe, prowadzące do optyn1ałizacji rozwiązań. b) Narzędzie służące do opracowania projektu wstępnego. weryfikowanego później przez programy symulacyjne i poz\vałające na znaczne oszczędności, polegające na opracowaniu wstępnych wersji projektowych już w znacznej mierze poprawnych, zamiast tworzonych 'na oko' i wymagających potem wielokrotnych korekt. Przykładem współpracy obu typów programów jest opracowana przez autora procedura projektowania, z powodzeniem zastosowana w opracowaniu technologii zasilania odlewów staliwnych z wykorzystaniem pakietu symulacyjnego MAGMAsoft. Obejmowala ona następujące kroki: Szybka symulacja krzepnięcia odle\vu bez nadlewów i bez symulacji wypełniania fom1y (najbardziej czasochłonnej), zanotowanie czasów krzepnięcia Wyzłów cieplnych i innych miejsc, gdzie przewiduje się umieszczenie nadlewów, pogrubień łub ochładzalników. Syn1Uiacja odlewów testowych w kształcie sześcianów o zn1ienianych stopniowo wymiarach tak, aby uzyskać czasy krzepnięcia z grubsza równe czasom wybranych miejsc w odlewie, wynotowanym w pierwszyn1 kroku (łączny czas tych symulacji łącznie z wprowadzaniem geometrii jest rzędu kilkunastu minut). Oszacowanie modułów wybranych miejsc w odlewie, jako równych modułom sześcianów o tych samych czasach krzepnięcia.

3 Nowa generacja oprogramowania wspomagającego projekt. procesów odlew. 187 Zaprojektowanie nadlewów i innych elementów układu zasilania metodami tradycyjnymi, na podstawie wartości znalezionych modułów. Sprawdzenie zasilania odlewu w zaproponowanym układzie przy wykorzystaniu pełnej symulacji (z zalewaniem formy). Z po wyższych rozważań wynika, że tworzenie profesjonalnych programów realizujących tradycyjne obliczenia inżynierskie jest w dalszym ciągu bardzo potrzebne. W Politechnice Warszawskiej opracowano specjalizowany pakiet narzędziowy do efektywnego tworzenia programów wspomagających tego typu obliczenia. System ten, noszący nazwę Design Engine, zostanie przedstawiony poniżej. 2. PAKIET NAHZĘDZIOWY DESIGN ENGlNE Analiza typowego przebiegu projektowania inżynierskiego wykazuje, że programy wspomagające powinny działać według schematu, przedstawionego na rys. l. Wykonanic projektu wymaga przeprowadzenia szeregu obliczeń, czyli rozwiązania pewnej liczby zadań obliczeniowych. Każde z zadań wykonywane jest zgodnie z przebiegiem pokazanym w dolnej części schematu. Pakict narzędziowy Design Engine umożliwia stosunkowo łatwe i szybkic tworzenic profesjonalnych programów całkowicie zgodnych z przedstawionym przebiegiem projektowania. Jego ideą jest ograniczenie samego programowania tylko do procedur realizujących same obliczenia i operujących na standardowych danych wprowadzanych przez użytkownika, danych materialowych pobieranych z odpowiedniej bazy zewnętrznej oraz na standardowych typach wyników. Charakter obliczeń może b yć zasadniczo dowolny, mogą one realizować także symulację numeryczną procesów. Jedynym ograniczeniem jest typ danych wejściowych, które są zbiorem pojedynczych wartości liczbowych, wprowadzanych bez edytora geometrycznego. Cala organizacja aplikacji, a więc przebieg definiowania zadań, przyporządkowanic im numerów danych, grup materiałów, sposobów prezentacji wyników itp., jest określana w plikach tekstowych ASCII. W analogiczny sposób zapisywane są teksty komunikatów, pomocy, nazw danych, wyników itp. Dzięki takicmu systemowi bardzo łatwe jest przystosowanie aplikacji do indywidualnych wymagań użytkownika, np. uwzględnienie materiałów stosowanych w danym przedsiębiorstwie, a także przygotowanie różnych wersji języko wych. Pornoce o charakterze rysunkowym, w postaci map bitowych, przygotowywane mogą być przy pomocy niczależnych edytorów graficznych lub, zależnic od preferencji programisty, jako odrębne procedury programu. Sposób postępowania przy opracowaniu aplikacji opisany jest szczegółowo w dokumentacji.

4 188 Marcin Perzyk c ~ Zadanie l PROJEKT ) l~ Zadanie l l Zadanie ,. Projektant V ~ Określenie zadania : przedmiot i zakres obliczeń sposób przedstawienia wyników Przygotowanie danych: liczbowych określenie materiałów l Baza danych l---+( OBLICZENIA ) m~eri~owych. ~----~ ~r Przedstawienie wyników: l kilka różnych wielkości liczbowych tabela wartości (funkcja) wykres funkcji szkic z wymiarami rezu~at negatywny lub komentarz l Zanotowanie wyników f. Rys. l. Schemat typowego projektowania inżynierskiego Fig. l. Chart o f typical engincering design procedure

5 Nowa generacja oprogramowania wspomagającego projekt. procesów odlew. 189 Plik konfiguracyjno- opisowy do definiowania zadań Maksymalna liczba poziomów = 7 o oznarzenie rliku pomocy dla wyboru z pierwszego poziomu Lp. Poziom Polozenie Nr Nr Nazwa na liscie wyboru: nr : (sciezka) zad. pomocy l l o o o o o o o l Powierzchnie figur i brył 2 l 2 o o o o o o o l Objętości i masy brył 3 2 l l o o o o o l o Prostokąt 4 2 l 2 o o o o o 6 o Trójkąt 5 2 l 3 o o o o o 2 o Trapez 6 2 l 4 o o o o o 3 o Kolo 7 3 l 2 l o o o o o Dane dwa boki i kąt 8 3 l 2 2 o o o o 5 o Dana podstawa i wysokość l o o o o o o 201 Stożek ścięty lo o o o o o o 201 Kula l l o o o o 9 o Objętość stożka l 2 o o o o lo o Masa stożka l o o o o 7 o Objętość kuli o o o o 8 o Masa kuli Rys. 2. Wydruk z jednego z plików konfiguracyjnych aplikacji Design Engine przygotowanej dla celów po g lądowych fig. 2. Printout o f one of the configuration fi!es for a demonstrative application o f the Design Engine progranuning package 3. APLIKACJE SYSTEMU DESIGN ENGINE DLA ODLEWNICTW A Dotychczas stworzono przy pomocy pakietu Design Engine dwa programy wspomagające prace projektowe w odlewnictwie: 'Projektowanie układu zasilania odlewów staliwnych' 'Projektowanie cieplne kokil'. W sensie merytorycznym są one w znacznym stopniu udoskonalonymi wersjami wcześniejszych programów opracowanych w Politechnice Warszawskiej. Pierwsza z tych aplikacji uwzględnia m.in. uniwersalne charakterystyki otulin egzotermicznych nadlewów, umożliwiające ich dobór z uwzględnieniem zarówno modułu nadlewu, jak i zasilanej objętości. Ponadto umożliwia stosowanie otulin nadlewów i v.ry lożeń ścian odlewu o własnościach podanych w różnoraki sposób przez producenta tych materiałów. Drugi z gotowych programów zawiera ulepszone procedury obliczeniowe służące do oceny stabilizacji cieplnej kokili, m.in. uwzględnienie przegrzewania się rdzeni, dowolny ksztalt żeber chłodzących, automatyczne sprawdzanie dojścia do stanu równowagi cieplnej dla zadanego błędu i inne. Program ten oparty jest na uproszczonej symulacji 'vvymiany ciepła w układzie odlew - forma - otoczenie. W stosunku do poprzednich wersji został on rozszerzony o procedury obliczające wydajność układów chłodzenia sztucznego kokili nadmuchem powietrza lub mgły wodnej oraz kanałami wodnymi.

6 190 Marcin Perzyk Dzięki mechanizmom kontroli danych wbudowanym w system Design Engine w obu programach w stosunkowo łatwy sposób udało się osiągnąć znaczną pewność działania. Znacznie zaawansowana jest trzecia aplikacja, dotycząca projektowania układów wlewowo - zasilających dla żeliwa sferoidalnego. Powinna ona stać się szczególnie cennym programem z uwagi na wynikającą z cech systemu Design Engine łatwość dostosowania aplikacji do własności materiałów występujących w konkretnej odlewni. W tym przypadku potrzeba takiego podejścia wynika z braku możliwości przewidywania niektórych właściwości skurczowych tych żeliw bez wykonania prób warsztatowych na miejscu. Marcin Pertyk New generation o f software assisting design o f casting processes Summary An analysis of the two typcs of sofhvarc used in designing of casting proccsses is prcscnted: convcntional engineering calculations aids and numerical simulation programs. The basie charactcristics of the programming tool called Dcsign Engine, dedicated for effectivc dcvelopmcnt or the first typc sofiware, arc discussed. The first two applications are presented, covering dcsign of fceding system s in steel castings and them1al design o f gravity dies.