eng
Выпуск #6/2008
Г.Туричин, Е.Валдайцева, И.Цибульский.
Компьютерный анализ процессов лучевой обработки материалов: система моделирования LaserCAD
Компьютерный анализ процессов лучевой обработки материалов: система моделирования LaserCAD
Просмотры: 2953
Как сократить время разработки новых высокоэффективных сварочных технологий и уменьшить затраты на дорогостоящие эксперименты? Какую технологию выбрать: лазерную или электронно-лучевую? А может, лучше применить гибридную сварку, совмещающую преимущества как лазерной, так и электродуговой технологий? Как спрогнозировать свойства сварного соединения? Ответ прост: надо полагаться на свою интуицию или…
на помощь системы компьютерного инженерного анализа лучевых сварочных процессов LaserCAD.
на помощь системы компьютерного инженерного анализа лучевых сварочных процессов LaserCAD.
Расширение технологических возможностей машиностроительных предприятий связано с появлением новых материалов, обладающих высокими физико-механическими свойствами. Методы дуговой, лазерной и гибридной сварки могут обеспечить высокую прочность конструкциям, износостойкость трущимся поверхностям, залечивать зарождающиеся трещины. Перспективы успешного использования сварочных технологий в сложных многоступенчатых производственных линиях требуют активного внедрения САПР.
Для проектирования процесса сварки необходимы эффективные математические модели, отражающие физические процессы развития пор и дефектов, скорость движения фазовых поверхностей, распределение тепловых полей. Также важно учесть сопутствующие эффекты: термомеханические, расплескивание вещества ванны, гидродинамику течений. Банк данных должен содержать широкую информационную базу по свойствам материалов и параметрам оборудования, программа должна обеспечивать быстродействие и удобный диалоговый интерфейс.
Система LaserCAD предназначена для решения ряда инженерных и научных задач, а именно: расчета геометрических характеристик предполагаемого соединения, подбора оптимальных параметров режима обработки, выбора необходимого технологического оборудования в соответствии с требуемыми параметрами, подбора материалов с учетом предполагаемых свойств соединений, расчета полей температур расплава, твердой и паровой фазы, скоростей течения расплава и разлета продуктов испарения. По своим функциям, возможностям и составу система LaserCAD представляет собой средство инженерного компьютерного анализа процессов обработки металлов концентрированными потоками энергии. Она позволяет не только прогнозировать глубину и форму сварного шва, но и анализировать изменение химического состава металла сварного шва в процессе сварки, прогнозировать структуру и свойства металла шва и зоны термического влияния.
Система опирается на четыре модели расчета для различных видов обработки: с помощь только лазерной сварки, для электронно-лучевой сварки с глубоким проплавлением, для гибридной сварки с глубоким проплавлением и без него. После того, как выбор режима сварки сделан, необходимо определить химический состав металла в сварочной ванне, учитывая разницу температур кипения соединяемых материалов. В основе расчета лежит динамическая модель сварочной ванны и модель фазового состава металла шва и околошовной зоны.
База данных в LaserCAD многоуровневая. Она содержит информацию о химическом составе материалов, их физико-технических параметрах и технологических режимах промышленного оборудования. Создан интуитивно понятный диалоговый интерфейс и средства для сохранения результатов расчетов и их последующего анализа.
Модель лазерной сварки с глубоким проплавлением решает задачи теплопереноса в металле в жидкой и твердой фазах, гидродинамики течения расплава, течения паров металла и формирования лазерно-индуцированной плазмы, а также прохождения луча через плазму (рис.1). Модель гибридной сварки учитывает помимо характерных для лазерной сварки процессов задачи теплопереноса от дополнительного теплового источника: дугового, плазменного или светового. Для сварки с поверхностным проплавлением она позволяет рассчитать температурные поля на основе численного решения трехмерной задачи нестационарной теплопроводности. Модель электронно-лучевой сварки включает в себя решение задач тепломассопереноса, газодинамики и кинетики разлета паров металла в вакууме, рассеяния луча на парах металла при сварке с глубоким проплавлением.
Сегодня еще не создана полная адекватная теоретическая модель динамики сварочной ванны из-за сложности описания протекающих в ней процессов. Поэтому пока для анализа изменения глубины проплавления, ширины парогазового канала и сварочной ванны, развития волн на поверхности парогазового канала, приводящих к формированию пористости и выплеску жидкой фазы, используется математическая модель сварочной ванны, основанная на механике Лагранжа*. Совместное решение задачи об испарении и диффузии примесей в расплаве с учетом гидродинамики течения жидкого металла и газодинамики разлета паров позволяет составить прогноз химического состава металла в зоне лучевого воздействия.
Информационно-справочная система программы LaserCAD включает в себя базы данных по материалам (рис.2), оборудованию и качеству получаемых соединений. База данных по материалам содержит сведения о физических свойствах металлов, неметаллов, сталей и алюминиевых сплавов, их химическом составе, а также о структурном составе сталей, полученном на основе термокинетических диаграмм распада аустенита. Банк данных по оборудованию содержит информацию о режимах и условиях обработки. За критерий качества сварных соединений принимают структуру металла шва и околошовной зоны. Надежность конструкции прогнозируется на основе численных расчетов по принятым моделям с учетом значений, выбранных из банков материалов и рабочего оборудования.
Интерфейс САПР LaserCAD позволяет работать в диалоговом режиме (рис.3). Специальная функция "Ручной оптимизатор" облегчает и ускоряет подбор необходимого режима обработки для достижения требуемого результата. Система может работать в многооконном режиме, позволяющем одновременно решать несколько задач и сравнивать результаты комбинации материалов, типы сварного соединения (рис.4) и тепловую мощность луча (рис.5), а затем анализировать их (рис.6) и выбирать оптимальные (рис.7). Базы данных открыты для редактирования и пополнения новой информацией, в том числе – непосредственно через Интернет.
Программа написана на языке Object Pascal в среде Delphi5. Она работает в среде Windows XP, минимальные системные требования – процессор Pentium-III с тактовой частотой 500 МГц, объем ОЗУ – 64 Мбайт. Оптимизированные алгоритмы обеспечивают необходимое для производственной практики быстродействие системы – так, расчет одного варианта режима сварки занимает не более одной минуты.
САПР LaserCAD и ее аналоги успешно применяются в ЦНИИ РТК и ЦНИИ ТС в Санкт-Петербурге, в МВТУ им. Баумана и НИИТ в Москве, и в Германии в ISF (Институт сварки и соединений, Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik), ILT (Институт лазерной техники, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik), IWS (Институт материалов и лучевой техники, Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik), Weldaix (Ingenieurgesellschaft für Schweiß- und Fertigungstechnik), NMB (Kompetenzzentrum – Neue Materialien Bayreuth), SLV Rostock (Служба обучения и аттестации сварщиков, Schweisstechnische Lehr- und Versuchsanstalt). Помимо проектирования технологических процессов система полезна в образовательном процессе как компьютерный тренажер по лучевым технологиям. Сегодня САПР LaserCAD развивается в направлении создания модуля лазерной наплавки и напыления.
Для проектирования процесса сварки необходимы эффективные математические модели, отражающие физические процессы развития пор и дефектов, скорость движения фазовых поверхностей, распределение тепловых полей. Также важно учесть сопутствующие эффекты: термомеханические, расплескивание вещества ванны, гидродинамику течений. Банк данных должен содержать широкую информационную базу по свойствам материалов и параметрам оборудования, программа должна обеспечивать быстродействие и удобный диалоговый интерфейс.
Система LaserCAD предназначена для решения ряда инженерных и научных задач, а именно: расчета геометрических характеристик предполагаемого соединения, подбора оптимальных параметров режима обработки, выбора необходимого технологического оборудования в соответствии с требуемыми параметрами, подбора материалов с учетом предполагаемых свойств соединений, расчета полей температур расплава, твердой и паровой фазы, скоростей течения расплава и разлета продуктов испарения. По своим функциям, возможностям и составу система LaserCAD представляет собой средство инженерного компьютерного анализа процессов обработки металлов концентрированными потоками энергии. Она позволяет не только прогнозировать глубину и форму сварного шва, но и анализировать изменение химического состава металла сварного шва в процессе сварки, прогнозировать структуру и свойства металла шва и зоны термического влияния.
Система опирается на четыре модели расчета для различных видов обработки: с помощь только лазерной сварки, для электронно-лучевой сварки с глубоким проплавлением, для гибридной сварки с глубоким проплавлением и без него. После того, как выбор режима сварки сделан, необходимо определить химический состав металла в сварочной ванне, учитывая разницу температур кипения соединяемых материалов. В основе расчета лежит динамическая модель сварочной ванны и модель фазового состава металла шва и околошовной зоны.
База данных в LaserCAD многоуровневая. Она содержит информацию о химическом составе материалов, их физико-технических параметрах и технологических режимах промышленного оборудования. Создан интуитивно понятный диалоговый интерфейс и средства для сохранения результатов расчетов и их последующего анализа.
Модель лазерной сварки с глубоким проплавлением решает задачи теплопереноса в металле в жидкой и твердой фазах, гидродинамики течения расплава, течения паров металла и формирования лазерно-индуцированной плазмы, а также прохождения луча через плазму (рис.1). Модель гибридной сварки учитывает помимо характерных для лазерной сварки процессов задачи теплопереноса от дополнительного теплового источника: дугового, плазменного или светового. Для сварки с поверхностным проплавлением она позволяет рассчитать температурные поля на основе численного решения трехмерной задачи нестационарной теплопроводности. Модель электронно-лучевой сварки включает в себя решение задач тепломассопереноса, газодинамики и кинетики разлета паров металла в вакууме, рассеяния луча на парах металла при сварке с глубоким проплавлением.
Сегодня еще не создана полная адекватная теоретическая модель динамики сварочной ванны из-за сложности описания протекающих в ней процессов. Поэтому пока для анализа изменения глубины проплавления, ширины парогазового канала и сварочной ванны, развития волн на поверхности парогазового канала, приводящих к формированию пористости и выплеску жидкой фазы, используется математическая модель сварочной ванны, основанная на механике Лагранжа*. Совместное решение задачи об испарении и диффузии примесей в расплаве с учетом гидродинамики течения жидкого металла и газодинамики разлета паров позволяет составить прогноз химического состава металла в зоне лучевого воздействия.
Информационно-справочная система программы LaserCAD включает в себя базы данных по материалам (рис.2), оборудованию и качеству получаемых соединений. База данных по материалам содержит сведения о физических свойствах металлов, неметаллов, сталей и алюминиевых сплавов, их химическом составе, а также о структурном составе сталей, полученном на основе термокинетических диаграмм распада аустенита. Банк данных по оборудованию содержит информацию о режимах и условиях обработки. За критерий качества сварных соединений принимают структуру металла шва и околошовной зоны. Надежность конструкции прогнозируется на основе численных расчетов по принятым моделям с учетом значений, выбранных из банков материалов и рабочего оборудования.
Интерфейс САПР LaserCAD позволяет работать в диалоговом режиме (рис.3). Специальная функция "Ручной оптимизатор" облегчает и ускоряет подбор необходимого режима обработки для достижения требуемого результата. Система может работать в многооконном режиме, позволяющем одновременно решать несколько задач и сравнивать результаты комбинации материалов, типы сварного соединения (рис.4) и тепловую мощность луча (рис.5), а затем анализировать их (рис.6) и выбирать оптимальные (рис.7). Базы данных открыты для редактирования и пополнения новой информацией, в том числе – непосредственно через Интернет.
Программа написана на языке Object Pascal в среде Delphi5. Она работает в среде Windows XP, минимальные системные требования – процессор Pentium-III с тактовой частотой 500 МГц, объем ОЗУ – 64 Мбайт. Оптимизированные алгоритмы обеспечивают необходимое для производственной практики быстродействие системы – так, расчет одного варианта режима сварки занимает не более одной минуты.
САПР LaserCAD и ее аналоги успешно применяются в ЦНИИ РТК и ЦНИИ ТС в Санкт-Петербурге, в МВТУ им. Баумана и НИИТ в Москве, и в Германии в ISF (Институт сварки и соединений, Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik), ILT (Институт лазерной техники, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik), IWS (Институт материалов и лучевой техники, Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik), Weldaix (Ingenieurgesellschaft für Schweiß- und Fertigungstechnik), NMB (Kompetenzzentrum – Neue Materialien Bayreuth), SLV Rostock (Служба обучения и аттестации сварщиков, Schweisstechnische Lehr- und Versuchsanstalt). Помимо проектирования технологических процессов система полезна в образовательном процессе как компьютерный тренажер по лучевым технологиям. Сегодня САПР LaserCAD развивается в направлении создания модуля лазерной наплавки и напыления.
Отзывы читателей
