Реферат: Расчет затвердевания плоской отливки

Министерство образования РоссийскойФедерации

Сибирский государственный индустриальный университет

Кафедра литейного производства

Расчет затвердевания плоскойотливки

в массивной форме

 

Выполнили: ст. гр. МЛА-97

ЗлобинаС. А.

КарпинскийА. В.

КиринаЛ. В.

ТимаревскийА. В.

ТокарА. Н.

Проверил: доцент, к.т.н.

Передернин Л.В.

Новокузнецк2001

Содержание

Содержание. 2

Задание. 3

Постановказадачи. 4

1.   Графическое представление. 4

2.   Математическая формулировка задачи. 5

Методрасчета. 7

Схемаапроксимации. 8

Алгоритмрасчета. 11

Идентификаторы… 13

Блок-схема. 14

Программа. 17

Сравнениес инженерными методами расчета. 20

Результатырасчета. 21

/>/>Задание

Отливка в виде бесконечной плиты толщиной2Lo=30 мм

Сплав: Латунь (10% Zn).

Форма: Песчано-глинистая объемная сырая(ПГФ).

Индексы: 1-Метв, 2- Меж,4-форма.

а1=3,6×10-5 м2/с

а2=2,1×10-5 м2/с

l1=195Вт/м×К

l2=101Вт/м×К

r1=8600кг/м3

r2=8000кг/м3

L=221000 Дж/кг

b4=1300Вт×с1/2/(м2×К)

Tф=293К

Ts=1312,5К

Tн=1345К

N=100

et=0,01 c

eТ=0,01 oC

/>/>Постановка задачи1.  /> <td/> />
Графическое представление

Принимаем следующие условия:

Отливка в виде бесконечной плиты толщиной2Lo затвердевает в объемной массивной песчано-глинистойформе. Принимаем, что теплофизические характеристики формы и металла постоянныи одинаковы по всему объему, системы сосредоточенные, геометрическая ось совпадаеттепловой и поэтому можно рассматривать только половину отливки. Lo<<Lф — форма массивная, т.е.форма за все время охлаждения не прогревается до конца, Тпов=Тнач;такая форма называется бесконечной

Вектор плотности теплового потока(удельный тепловой поток) имеет направление перпендикулярное к поверхностираздела отливка-форма в любой момент времени tk;

Нестационарное температурное поле –одномерное, Тj(х, tk), j=1,2,4;

Температура затвердевания принимаетсяпостоянной, равной Ts;

Теплофизические характеристики сред, aj=lj/cjrj,j=1,2,4;

Теплоаккумулирующую способность формыпримем постоянной, bф=/>=const;

C,l,r — теплофизические характеристики формы;

Переохлаждение не учитываем;

Удельная теплота кристаллизации L(Дж/кг) выделяется только на фронте затвердевания (nf) — условие Стефана;

Не учитывается диффузия химическихэлементов – квазиравновесное условие;

Перенос тепла за счет теплопроводности иконвекции учитывается введением коэффициента эффективной электропроводности:

для жидкой среды l2=n*l0, где l0– теплопроводность неподвижного жидкого металла; n=10;

Не учитывается усадка металла припереходе из жидкого состояния в твердое;

Передача тепла в жидком и твердом металлепроисходит за счет теплопроводности и описывается законом Фурье:

q = — ljgradT, плотность теплового потока,/>Дж/(м2с);

Отливка и форма имеют плотный контакт впериод всего процесса затвердевания (что реально для ПГФ);

теплоотдача на границе отливка – форма подчиняется закону Ньютона(-Рихтмона): q1(tk)=a(T1к — Tф)– для каждого момента времени tк, где a — коэффициент теплоотдачи, дляустановившегося режима (автомодельного) a=/>;

Полученная таким образом содержательнаямодель и ее графическая интерпретация затвердевания плоской отливки в объемноймассивной форме, упрощает формулировку математической модели и достаточнохорошо отражает затвердевание на тепловом уровне, т.е. позволяет получить законT=f(x;t).

/>2. Математическая формулировка задачи

Математическая модель формулируется ввиде краевой задачи, которая включает следующие положения:

а) Математическое выражение уравненияраспределения теплоты в изучаемых средах.

Дифференциальное уравнениетеплопроводности Фурье, которое имеет смысл связи, между временным изменениемтемпературы и ее пространственным распределением:

/>

Или в соответствии с условием 5 запишем:

/> ; xÌ[0,lo],j=/>                                                      (1)

б) Условия однозначности:

1. Теплофизические характеристики сред

rj, lj, cj, bj, aj, TL, TS

2. Начальные условия

2.1 Считаем, что заливка происходитмгновенно и мгновенно же образуется тончайшая корка твердого металла.

T1н(x, tн)= TS(E)                                                                                             (2)

2.2 Положение фронта затвердевания

t=tнзадан. ,x=0, y(tн)=0                                                                                (3)

2.3 Температура металла в отливке

Tj,iн=Tн; j=2, iÌ(2,n)                                                                                (4)

2.4 Температура на внешней поверхностиформы (контакт форма — атмосфера) и температура формы.

T4н=Tф                                                                                                                                                                          (5)

3. Граничные условия

3.1 Условия сопряжения на фронтезатвердевания (условия Стефана) i=nf

/>                                                                (6)

3.2 Температура на фронте затвердевания

/>      />                                                                (7)

3.3 Условие теплоотдачи на границеотливка-форма

/>      />                                       (8)

 - граничное условие третьего рода

3.4 Условие на оси симметрии

/>                                                                                   (9)

Задача, сформулированная в выражениях(1-9) есть краевая задача, которая решается численным методом.

Аппроксимировав на сетке методом конечныхразностей (МКР), получим дискретное сеточное решение.

Ti=f(xi;tk).

/>/>Метод расчета

Будем использовать МКР – метод конечныхразностей.

Сформулированную краевую задачудискретизируем на сетке.

/>         />

/>=/> - шаг по пространствупостоянный;/> - шаг по времени переменный

Для аппроксимации задачи на выбраннойсетке можно использовать разные методы – шаблоны. Наиболее известные из них дляданного типа задач четырех точечный конечно разностный шаблон явный и неявный.

Явный четырех точечныйшаблон            Неявный четырех точечный шаблон

/> <td/> />
Использование явного шаблона для каждого временного шага получаем n+1 уравнение с n неизвестными исистема решается методом Гауса, но сходимость решения только при очень малыхшагах.

Использование неявного шаблонаобеспечивает абсолютную сходимость, но каждое из уравнений имеет 3 неизвестных,обычным методом  их решить невозможно.

По явному:

/>                                                                     (10)

По неявному:

/>                                                                  (11)

Сходимость обеспечивается при:

/>при явном шаблоне                                                                (12)

/>-точностьаппроксимации

/>                                                      (13)

/>/>Схема апроксимации

Аппроксимируем задачу 1-9 на четырехточечном неявном шаблоне

Начальные условия:

/>                                              (14)

/>                                                                                      (15)

/>        />                                                                     (16)

/>         />                                                                (17)

/>                                                                                             (18)

Граничные условия:

/>                                                  (19)

/>                                                                          (20)

/>                                                                                            (21a)

/>=> />                                                                            (21)

Условие идеального контакта на границеотливка форма

/>                                                                                       (22)

Расчет временного шага />:

Величина />-var  рассчитывается из условия, что за промежуток времени /> фронт перейдет из точки nf в точку nf+1

Расчет ведут итерационными (пошаговыми)методами

Строим процедуру расчета следующимобразом:

Вычисляем нулевое приближенное />для каждого шага,

За шаг итерации примем S,

Нулевое приближение S=0.

/>                                                                                             (23)

Уточняем шаг: S+1

/>             (24)

d – параметритерации от 0 до 1

для расчета возьмем d=0.

Число S итерацийопределяется заданной точностью:

Временного шага/>                                                             (25)

И по температуре/>                                                      (26)

et<sub/> и eT – заданныеточности по времени и температуре

et=0,01c,  eT=0,1°C

DtI=0,01c – время за которое образовалась корочка.

Описанный итерационный процесс называют''Ловлей фазового фронта в узел''.

Можно задать Dх, DtK=const, тогда неизвестно будет положение фронта, при помощилинейной интерполяции.

Расчет температурных полей:

Метод «прогонки»:

Считается наиболее эффективным для неявнозаданных конечно-разностных задач.

Суть метода:

Запишем в общем виде неявно заданноеконечноразностное уравнение второго порядка (14) в общем виде:

AiTi-1– BiTi + CiTi+1 + Di= 0; i = 2, 3, 4, …n-1                                       (27)

действительно для всех jи k.

и краевые условия для него:         

T1= p2T2 + q2                                                                                                                                                       (28а)

Tn= pnTm-1 + qn                                                                                                                                                   (28б)

Ti= f(Ai; Xi; tk)   — сеточное решение.

Ai, Bi, Ci, Di – известные коэффициенты, определенные ихусловий однозначности и дискретизации задачи.

Решение уравнения (27) – ищем в том жевиде, в котором задано краевое условие (28 а)

Ti= аi+1Ti+1+ bi+1; i = 2, 3, 4, …n-1                                                                                                              (29)

Ai+1,bi+1 – пока не определенные«прогоночные» коэффициенты (или коэффициенты разностной факторизации)

Запишем уравнение (29) с шагом назад:

Ti-1= аiTi +bi                                                                                                                                                        (30)

Подставим уравнение (30) в уравнение(27):

Ai(aiTi+ bi) – BiTi + CiTi+1 +Di = 0

Решение нужно получить в виде (29):

/>                                                                           (31)

Найдем метод расчета прогоночныхкоэффициентов.

Сравним уравнение (29) и (31):

/>                                                                                           (32)

/>                                                                                             (33)

(32),(33)– рекуррентные прогоночныеотношения позволяющие вычислить прогоночные коэффициенты точке  (i+1) если известны их значения в точке i.

Процедура определения коэффициентов аi+1 и bi+1называется прямой прогонкой или прогонкой вперед.

Зная коэффициенты конечных точек итемпературу в конечной точке Тi+1 можновычислить все Тi.

Процедура расчета температур называетсяобратной прогонкой. То есть, чтобы вычислить все Т поля для любого tk нужно вычислить процедуры прямой и обратнойпрогонки.

Чтобы определить начальные а2иb2, сравним уравнение (29) и уравнение (28а):

a2= p2;  b2 = q2

Запишемуравнение 29 с шагом назад:

/>Tn = pnTn-1 + qn

Tn-1 = qnTn+ bn      

/>                                                                                          (34)

Новая задача определить pn, qn

Вывод расчетных формул:

Преобразуем конечноразностное уравнение(14) в виде (27)

/>, j=1,2                                       (35)

относиться к моменту времени k

Из (35)=> Ai=Ci=/> Bi=2Ai+/> Di=/>                                          (36)

Определим значения коэффициентов дляграничных условий:

на границе раздела отливка-форма

/>                                                                                         (37)

приведем это выражение к виду (28 а)

/> отсюда                                                                              (38)

b2=q2=/> a2=p2=1                                                                                   (39)

на границе раздела Meтв — Меж

из (29),Tnf=Tn=> anf+1=0, bnf+1=Ts                                                          (40)

условие на оси симметрии

Tn-1=Tn<sub/>всоответствии с (21)

pn=1,qn=0                                                                                                (41)

подставив (41) в (34) получим

/>                                                                                                  (42)

/>/>Алгоритм расчета

1)   Определитьтеплофизические характеристики сред, участвующих в тепловом взаимодействииλ1, λ2, ρ1, ρ2,L, а1, а2, Тs, Тн, Тф.

2)   Определитьразмеры отливки, параметры дискретизации и точность расчета

2l0=30мм, l0=R=15 мм=0,015м

n=100,/>

первый шаг по времени:Δt1=0,01 с, t=t+Δt

еt=0,01 с, et=0,1 оC

3)   Принять,что на первом временном шаге к=1, t1=Δt1, nf=1, Т1=Т3,Тi=Тн,, i=2,…,n, Т4=Тф

4)   Величинаплотности теплового потока на границе раздела отливка – форма

/>                                                                       (43)

/>, s=0,(нулевое приближение)

к=2, />                                                                    (44)

5)   Найтинулевое приближение Δtк, 0 на к-томшаге

переход  nf → i → i+1 по формуле (23)

/>

6)   Найтикоэффициенты Ai, Сi,Вi, Di посоответствующим формулам для сред Метв. и Меж. В нулевомприближении при s=0

7)   Рассчитатьпрогоночные коэффициенты ai+1, bi+1 для Метв. и Меж.,s=0 с учетом что Тnf=Тз.

Т1=р2Т2+g2

Тi=а2Т2+в2

Найтиа2 и в2:

а2=1,/>                                                          (45)

/>                                                                            (46)

/>

8)   Рассчитатьтемпературу на оси симметрии

/>                                                                                   (47)

/>

9)   Рассчитатьтемпературное поле жидкого и твердого металла

/>                                                                              (48)

10)    Пересчитатьзначения ∆tк по итерационному процессу(24)

/>

d – параметритерации (d=0…1)

проверяем точность;

11)    Скоростьохлаждения в каждом узле i рассчитать по формуле:

/>,оС/с                                                                         (50)

12)    Скоростьзатвердевания на каждом временном шаге:

/>,м/с                                                                                    (51)

13)    Средняяскорость охлаждения на оси отливки:

/>

14)    Положениефронта затвердевания по отношению к поверхности отливки

/>,к – шаг по времени                                                (52)

15)    Полноевремя затвердевания

/>,к′ — последний шаг                                                   (53)

16)    Средняяскорость затвердевания отливки

/>                                                                                             (54)

/>/>/>Идентификаторы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/>/>/>Блок-схема

— [Вводим исходные данные

— [Вычисляем шаг по пространству

— [Вычисляем коэффициенты Аj,Сj для подстановки в (32), (33) и задаемтемпературу в первой точке

/>-[Температурное поле для первого шага по времени

/> — [Делаем шагпо времени

— [Вычисляем плотность теплового потока

— [Шаг по времени в нулевом приближении

— [Начальные прогоночные коэффициенты

— [Шаг по итерации

— [Вычисляем коэффициенты Bjдля подстановки в (32), (33)

/>

— [Вычисляем прогоночные коэффициенты по твердому металлу

— [Прогоночные коэффициенты для фронта

— [Вычисляем прогоночные коэффициенты по жидкому металлу

— [Температура на оси симметрии

— [Расчет температурного поля

— [Ищем максимальный температурный шаг

/>

— [Уточняем Dt

— [Точность временного шага

— [Проверка точности

— [Расчет времени

— [Скорость охлаждения в каждом узле

— [Скорость затвердевания и положение фронта

— [Вывод результатов

— [Проверка достижения фронтом центра отливки

— [Расчет полного времени, ср. скорости затвердевания ср.скорости охлаждения на оси отливки

Вывод результатов

— [Конец.

/>/>Программа

CLEAR,, 2000

    DIM T(1000), T1(1000),AP(1000), BP(1000), Vox(1000), N$(50)

2 CLS

  N = 100: KV = 50: N9 = 5:L = .015

  TM = 293: TI = 1345: TS =1312.5

  BM = 1300: a1 = .000036:a2 = .000021

  TA0 = .01: ETA = .01: E =.01

  l1 = 195: l2 = 101

  R0 = 8600: LS = 221000

  AF = 0: Pi =3.14159265359#

3 PRINT «Число шагов N, штук»; N

  PRINT «Длина отливки L,м»; L

  PRINT «Температура формы Tf, К»; TM

  PRINT «Начальная температура сплава Tн,К»; TI

  PRINT «Температура затвердевания Tz, К»;TS

  PRINT «Bф »; BM

  PRINT «Первый шаг по времени, Tk0 »; TA0

  PRINT «Точность по времени, Еt »; ETA

  PRINT «Точность по температуре, ЕТ »; E

  PRINT «Температуропроводность Ме твердого, а1»; a1

  PRINT «Температуропроводность Ме жидкого, а2»; a2

  PRINT «LS= »; LS

  PRINT «Коэф. теплопроводности, l1 »; l1

  PRINT «Коэф. теплопроводности, l2»; l2

  PRINT «Плотность Ме твердого, р1 »; R0

  INPUT «Изменить данные <y/n>»; QV$

  IF QV$ = «Y» THEN GOSUB 222

48  N1 = N — 1

    DX = L / (N — 1)

    A = a1 / DX ^ 2

    B1 = 2 * A

    RL = R0 * LS * DX

    NF = 1

    B2 = l1 / DX

    KV1 = 1

    AL = a2 / DX ^ 2

    BL1 = 2 * AL

    BL2 = l2 / DX

    T(1) = TS

    T1(1) = TS

    FOR i = 2 TO N

    T(i) = TI

    T1(i) = TI

    NEXT i

    TA = TA0

    K = 1

    dta = .01

    GOTO 103

101 K = K + 1

    NF = NF + 1

    B3 = SQR(Pi * TA)

    q = BM * (T(1) — TM) /B3

    dta = RL / (AF + q)

    B5 = BM * TM / B3

    B3 = BM / B3

    B4 = B2 + B3

    AP(1) = B2 / B4

    BP(1) = B5 / B4

    T(NF) = TS

    NF1 = NF — 1

    NF2 = NF + 1

    K1 = 0

102 K1 = K1 + 1

    Et = 0

  

    B3 = SQR(Pi * (TA +dta))

    q = BM * (T(1) — TM) /B3

    B5 = BM * TM / B3

    B3 = BM / B3

    B4 = B2 + B3

    AP(1) = B2 / B4

    BP(1) = B5 / B4

  

    DTA1 = 1 / dta

    IF NF1 = 1 THEN GOTO 23

    FOR i = 2 TO NF1

    B = B1 + DTA1

    f = DTA1 * T1(i)

    B4 = B — A * AP(i — 1)

    AP(i) = A / B4

    BP(i) = (A * BP(i — 1) +f) / B4

    NEXT i

23  FOR i = NF1 TO 1 STEP -1

    TC = AP(i) * T(i + 1) +BP(i)

    B = ABS(TC — T(i)) / TC

    IF B > Et THEN Et = B

    T(i) = TC

    NEXT i

    AP(NF) = 0

    BP(NF) = TS

    B = BL1 + DTA1

    FOR i = NF2 TO N

    f = DTA1 * T1(i)

    B4 = B — AL * AP(i — 1)

    AP(i) = AL / B4

    BP(i) = (AL * BP(i — 1)+ f) / B4

    NEXT i

    IF NF = N THEN GOTO 34

    TC = BP(N) / (1 — AP(N))

    B = ABS(TC — T(N)) / TC

    T(N) = TC

    IF B > Et THEN Et = B

    IF NF >= N1 THEN GOTO34

    FOR i = N1 TO NF2 STEP-1

    TC = AP(i) * T(i + 1) +BP(i)

    B = ABS(TC — T(i)) / TC

    IF B > Et THEN Et = B

    T(i) = TC

    NEXT i

34  P = AF + q

    P1 = 1 / P

    TM2 = BL2 * (T(NF2) — TS)

    IF NF = N THEN GOTO 80

    TM1 = B2 * (TS — T(NF1))

    DTF = P1 * (RL + dta *(TM2 — TM1 + P))

    P3 = ABS(DTF — dta) /DTF

    dta = DTF

 

    IF (P3 > ETA) OR (Et> E) THEN GOTO 102

80  TA = TA + dta

    IF NF = 1 THEN dta = TA0

    Vox = (T1(NF) — TS) /dta

    FOR i = 1 TO N

    Vox(i) = (T1(i) — T(i))/ dta

    T1(i) = T(i)

    NEXT i

    VS = DX / dta

    Xf = (K — 1) * DX

    IF K <> KV1 + 1THEN GOTO 33

    KV1 = KV1 + KV

    GOSUB 777

33  GOTO 105

103 PRINT «РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА»: CLS:GOSUB 777

105 IF K < N THEN GOTO101

    GOSUB 777

    Vz = 1000 * L / TA

    Voxl = (TI — TS) / TA

    PRINT «Полное времязатв. отл. TA=»;TA; «с.»

    PRINT «Ср. скоростьохл. на оси отл. Voxl=»; Voxl; " K/с"

    PRINT «Ср. скорость затв. отл. Vz=»;Vz; " мм/с"

    END

777 PRINT «К=»; K; "DTA="; dta; «VS=»; VS * 1000; " мм/с XF="; Xf; " мм"

    PRINT «T=»;T(1);: FOR i = 1 TO 10: PRINT T(i * 10);: NEXT i: PRINT «K»

    PRINT «Vox=»;Vox(1);: FOR i = 1 TO 10: PRINT Vox(i * 10);: NEXT i: PRINT «K/c»

    RETURN

222 CLS

    INPUT «Число шагов N, штук»; N

    INPUT «Длина отливки L,м»; L

    INPUT «Температура формы Tf, К»; TM

    INPUT «Начальная температура сплава Tн,К»; TI

    INPUT «Температура затвердевания Tz,К»; TS

    INPUT «Bф »; BM

    INPUT «Первый шаг по времени, Tk0 »;TA0

    INPUT «Точность по времени, Еt »; ETA

    INPUT «Точность по температуре, ЕТ »;E

    INPUT «Температуропроводность Ме твердого,а1 »; a1

    INPUT «Температуропроводность Ме жидкого,а2 »; a2

    INPUT «LS= »; LS

    INPUT «Коэф. теплопроводности, l1 »;l1

    INPUT «Коэф. теплопроводности, l2»; l2

    INPUT «Плотность Ме твердого, р1 »; R0

    CLS

    GOTO 3

    RETURN

/>/>Сравнение с инженернымиметодами расчета

Г. Ф. Баландин для расчета продолжительностизатвердевания отливки эвтектического сплава предложил следующие выражения:

/>-времязаливки

/>-времяснятия перегрева

/>-времязатвердевания

 Принимаем Tзал=TL+70, Тн=1/2(Tзал+ТL)

Расчет:

/>с

/>с

/>c

Скорость затвердевания во временихарактеризуется следующим выражением:

/>, где uЕ=(ТЕ-Тф)

/>

еще рефераты
Еще работы по металлургии