Disertační práce
Kap. 7: přehled simulačních programů

  
7. Přehled simulačních programů

V posledních 25 letech má používání výpočetní techniky ve slévárenství trvale vzrůstající tendenci. První konference Americké slévárenské společnosti AFS na dané téma - CompuCast - se konala již v roce 1983 a právě zde byly poprvé slévačům představeny, v té době se vynořující, simulační softwary na řešení slévárenských úloh. Poté co jim byly předvedeny i první výsledky ze simulace teplotního pole, začaly mnohé slévárny investovat i do tohoto vybavení.
V projektu American Metalcasting Consortium bylo zmapováno používání software pro modelování. Ukázalo se, že zavedené výpočetní techniky pro modelování slévárenských dějů znamená 40% úsporu času při návrhu odlitků, 30 % úsporu v laboratořích a 25 % zvýšení výtěžnosti. Další průzkum ukázal, že ze jediný rok bylo takto uspořeno přes 530 000 USD (jen z údajů pocházejících z USA) [58].

V současnosti je ve světě vyvinuta a používána řada slévárenských simulačních produktů, které se snaží o zodpovězení otázek týkajících se slévárenských procesů. Výpočetní systémy pro simulace dnes pracují jak na osobních počítačích - PC, tak i na pracovních stanicích. Používání obou kategorií prostředků v čase rostlo, spolu s tím jak narůstala jejich výpočetní síla a snižovala se relativní cena hardware.

Všechny simulační software obsahují databanky materiálů, možnost importu z ostatních CADů a to jak přes 2-D rozhraní (např. AFSCad, Shape File, DXF, IGES) tak i přes 3-D (např. STL, DXF Surfaced, IGES Surfaced), či možnost automatického generování sítě. Jako počítačové platformy jsou dnes používány buď UNIXovské pracovní stanice, dnes nahrazované systémem Linux, či systémy prostředí Windows 95, 98, 2000 a NT či MacOS 8 (stav ke konci roku 2000), abych vyjmenoval ty hlavní.

1) AFS Solidification System
Výrobcem tohoto komerčně používaného produktu je přímo American Foundrymen´s Society [59]. Program řeší pomocí metody konečných prvků (FEM) 2-D a 3-D otázky teplotních polí u odlitků a forem, umožňuje výpočet grafitické expanze v litinách a změny jejich složení mezi teplotou likvidu a solidu. Výpočet zahrnuje i vývin latentního tepla a stupeň podchlazení. Výsledkem je rovněž určení změny objemu, podílu tuhé fáze či určení hustoty v jednotlivých částech odlitku [59].

2) CAM-CAST/SIMULOR
Výrobce tohoto software je slévárna hliníku Usine de Mercus z Francie [60]. Systém byl původně určen jen pro vnitřní podnikové použití při simulacích lití hliníku, však během doby byl dále rozšiřován a dnes umožňuje modelování odlitků z různých slitin, plnění formy, tuhnutí, mikrostruktury a zbytkového pnutí a to nejen u slitin hliníku, ale rovněž i pro další materiály a to jak pro gravitační lití do písku, či tlakové lití do trvalých forem, včetně přesného lití.

Výpočet je prováděn na základě klasické Navier-Stokesovy rovnice spolu s řešením rovnice tepla za použití matematického aparátu metody CVM. Počítačová platforma jsou UNIXovské pracovní stanice.
Modul CAM-CAST/SIMULOR [61] byl navržen pro rychlé modelování v línii: CADovský návrh - Simulace - Výroba forem (jader) - Prototyp. Tím by měla být zajištěna kontrola defektů ve výrobě odlitků během plnících operací, včetně nezaběhnutí a přílišné oxidace. 

3) CAP a AMESH
Výrobcem tohoto modelovacího software je společnost EKK - USA [62], která od roce 1991 vyvíjí softwary pro slévárenský aplikace. V současnosti má dva spojené produkty a to AMESH (tvorba 3D geometrie a import dat) a CAP (3-D program určený pro teplotní analýzu pomocí FEM).
Systém najde využití při modelování plnění formy, tuhnutí, výpočtu mikrostruktury a zbytkového pnutí u lití do písku, trvalých modelů a modelování přesného lití. 
Počítačová platforma je Windows 95 a výše či NT a Unix. V literatuře [62] je též velmi dobře zpracována problematika počítačového modelování slévárenských dějů

4 ) CASTCAE
Společnost CT-CASTech (Finsko) ve spolupráci s Technical Research Centre of Finland [63] vyvinuly soft-warový balík pro 3-D modelování založený na metodě CVM a FDM - CASTCAE. 
Program je určen pro simulaci plnění, tuhnutí a výpočet výsledné mikrostruktury při lití jak do netrvalých, tak i trvalých forem a pro účely lití do skořepin a vakua. 

Programový balík CASTCAE obsahuje tři uživatelské úrovně s jednotlivými moduly:
a) START - CastCAE MeshGenerator pro tvorbu 3D obrazu ve formátu STL
CastCAE - uživatelské rozhraní
CastCAE Heat Transfer and Solidification
CastCAE Visualizer - vizualizace výpočtů

b) BASIC - CastCAE Shrinkage and Expansion
CastCAE Extended X-ray Visualization (zobrazení dutin)

c) ADVANCED
CastCAE Mould Filling - Navier-Stokesova rovnice CastCAE Coatings
CastCAE Microstructure - pro řešení mikrostruktury, zvláště pro litiny s kuličkovým grafitem. Lze řešit i otázky tvrdosti (HB), či výpočet tvorby karbidů. 
Počítačová platforma: Windows NT, 95, MacOS 8 a UNIXovské systémy

5) BlowView
Od společnosti Jordan z Kanady [64] pochází program založený na metodě konečných prvků, který analyzuje slévárenské procesy plnění, teplotního přenosu, pnutí a struktury. 
Program je určen zejména pro tlakové lité, jak je rovněž patrné z obrázku 23. 
Stejná společnost nabízí i software pro řešení modelovacích zařízení - PlasView. 
Uváděná počítačová platforma je Windows NT a UNIX.

6) FLOW-3D
Výrobcem je firma Flow Science USA. Program je určený pro modelování plnění, tuhnutí a mikrostruktury (zatím jen fenomenologicky). Umožňuje rovněž výpočet binární segregace a obsahuje model pro výpočet smršťování a řeší otázky porosity, vše při použití metody CVM [65].
Na obrázku 24 vidíme zobrazenou segregaci uhlíku v binární slitině (0,4% uhlíku ve slitině železa). 
Počítačová platforma PC s OS Windows nebo UNIXová platforma

7) MAGMASOFT
Jeden z nejznámnějších simulačních programů byl vyvinut ve spolupráci Technical University Aachen (Německo), Technical University of Copenhagen (Dánsko) a společnosti Magma (Německo).
Software Magmasoft je určen pro 2D a 3D simulace plnění, teplotního toku a pole, výpočtu zbytkového pnutí a to vše za použití matematického aparátu FEM-FDM [66].

Program obsahuje několik modulů: 
· MAGMAhpdc - simulace lití při vysokém tlaku do trvalých forem.
· MAGMAdisa - simulace procesů na DISAMATICu (tento modul byl vyvinut za asistence Daimler Benz AG a Georg Fischer +GF+ DISA). 
· MAGMAiron - simulaci litin - řešení tvorby mikro fází.
· MAGMAthixo - simulaci plnění a tuhnutí odlitků při použití thixotropních materiálů.
· MAGMAlpdc - simulace při nízkých tlacích při lití do kokil. 

Počítačová platforma: Silicon Graphics, Hawlett Packard, IBM (klony UNIXu a Linuxu) a Sun.

8) MAVIS& GLENIS
Výrobcem obou produktů je společnost Alphacast Software (Velká Británie), která při jejich přípravě spolupracovala s Univezita of Wales Swansea [67]. 

Software MAVIS, určený pro 3D modelování slévárenských dějů, obsahuje tři moduly: 
RAPID - který je postaven na výpočetním algoritmu BEM řeší, snad jako první komerčně nasazený program, výpočetní úlohy pomocí buněčné automatizace.
FDM - simulátor teplotních polí využívající metody konečných diferencí (FDM) a 
FLOW pro modelování plnění a tuhnutí zahrnující předešlé dva moduly. 

Všechny moduly MAVIS mohou importovat plošná data z většiny 3D CAD/CAM systémů použitím stereolitografického formátu dat (ASCII STL). Modely pro simulaci jsou následně automaticky síťovány ASCII STL překladačem. Pro doplnění komerční nabídky je nabízen i program Solid View IGES 3.2, který umožní konvertovat data IGES CAD v ASCII STL formátu pro přímý import do programu MAVIS. Všechny moduly jsou určené pro operační systém Windows. 
Simulační software GLENIS obsahuje objemový modelář, překladač pro ASCII STL CAD soubory, vizualizační nástroje pro zobrazení výsledné geometrie a editor materiálových vlastností. GLENIS je určen spíše pro oblast výzkumných prací a laboratorní podmínky.

9) NovaFlow & Solid
Výrobcem programu je společnost NovaCAST ze Švédska. Software obsahuje, jako každý spořádaný simulační prostředek, možnost importu dat a to z obou nejdůležitějších formátů - ASCII a z binárního STL. Program rovněž podporuje import z DXF 3D. 
NovaFlow & Solid obsahují nástroje pro zesíťování metodou FDM. 
Program umožňuje mimo výpočtu teplotního pole a pnutí také analýzu 
1) poměrů na rozhraní v trvalé formě a
2) řešení ve vzduchové mezeře mezi formou a odlitkem

Databáze u programu NovaFlow & Solid obsahuje úplné chemické složení zanesených materiálů, což ulehčuje případnou identifikaci s termofyzikálními parametry příslušejícím jednotlivým látkám [68].
Počítačová platforma: PC s operačním systémem Winows95 a výše, NT

10) PASSAGE-PowerCast
Výrobce je Technanalysis z USA. Produkt řeší metodou FEM teplotní otázky při odlévání, plnění formy, tuhnutí a výslednou mikrostrukturu [69]. Software PASAGE obsahuje následující moduly:
WHEEL, který obsahuje mesh generátor pro tvorbu sítě pomocí níž lze následně provádět výpočet laminárního a turbulentního proudění kovu. Jeho součásti jsou rovněž optimalizační nástroje. 
Na obr. 28 vidíme ukázku analýzy toku kovu při průchodu rotačním kanálem na odlitku lopatky turbíny.
Modul DUCT je určen pro výpočet vedení a proudění tepla a 
SYSFLOW - na prostředí X-Window založené grafické rozhraní pro změnu stávající sítě simulované soustavy.
Modul Post-Procesor je určen pro interpretace vypočtených tlaků, rychlostí, teploty a hustoty materiálu. 

PowerCast je určen pro analýzu plnění a tuhnutí materiálů, predikci teplotního pole v odlitku a ve formě a předpovědi podílu tuhé a kapalné fáze či výsledné porosity po ztuhnutí 
Počítačové prostředí: UNIXovské pracovní stanice a superpočítače.

11) PROCAST
Společnost UES (USA) uvedla produkt pro modelování slévárenských dějů ProCAST. Jedná se o tří dimenzionální program řešící metodou konečných prvků (FEM) výpočty nejen teplotního pole, toku a napěťových poměrů, ale rovněž predikci mikrostruktur. 

Ze zaměření software rovněž vyplývají v něm obsažené moduly: 
Thermal Analysis - teplotní analýza simulované soustavy odlitek - forma - okolí
Fluid Analysis - řešení toku kovu v dutině formy
Meshing- MeshCAST - tvorba sítě
Radiation Analysis - analýza teplotního přenosu radiaci
Stress Analysis - napěťové poměry odlitku po ztuhnutí a zchladnutí
Microstructure Modeling - modelování mikrostruktur kovu

Modelování mikrostruktury se děje po výpočtu teplotního pole, při zahrnutí nukleace a růstu zrn, přičemž se jedná o postup navržený pro průmyslově používané slitiny, tj. vícekomponentní systémy.
V literatuře [70] je rovněž uvedeno srovnání jednotlivých metod síťování geometrie a uvedeny jejich výhody a nevýhody. Počítačové prostředí: PC s OS Windows, nebo pracovní stanice pod UNIXem.

12) SIMTEC
Výrobcem dalšího rozšířeného produktu je firma RWP z Německa. 
Tento program najde využití při řešení otázek teplotního chování při plnění formy, rozdělení teplot v odlitku a formě při zahrnutí kriteriální funkcí pro zjištění např. výskytu porosity a staženin. Dále pro znázornění křivek ochlazování, výpočtu zbytkové tekuté fáze - izolované tekuté oblasti, vnitřního pnutí, smrštění tekuté fáze a deformace. Program řeší rovněž otázky spojené se strukturou materiálu, mechanických vlastností (tvrdosti) [71].

Program SIMTEC se skládá z těchto modulů:
VDA, STL - CADový preprocessing, rozhraní pro import data z jiných CADů
ANG - slouží pro tvorbu síťované geometrie metodou FEM, která se zde buď přímo 
vytváří, nebo je importována z vnějších systémů. 
FILL - řešení plnění formy kovem
TFB - Mainprocessing sloužící pro výpočet teplotního pole
SPA - výpočet vnitřních pnutí a výsledné deformace odlitku 
ZTUE a ZTUC - výpočet mikrostruktury analýzou diagramů ARA resp. IRA
EDA - postprocessing sloužící k zviditelnění vypočtených řešení
FILM + FORM - výpočet materiálově závislých kriteriálních funkcí, tvorba obrázků.

Počítačové prostředí je UNIXovský operační systém na PC či na pracovních stanicích, nově rovněž operační systém Windows NT.

13) RAPID CAST a COMPACT
Výrobcem programu je National Center for Excellence in Metalworking Technology [72] v USA. Software zahrnuje metodiku pro simulaci plnění formy, teplotního přenosu a kinematiku tuhnutí během odlévání. Program obsahuje výpočtový modul pro odhalení a eliminaci teplotních uzlů, výpočet zbytkového pnutí a smrštění či určení trhlin za tepla a porosity.
Umožňuje rovněž výpočet turbulentní viskosity, rychlosti tekutého kovu při zaplňování formy. U simulace mikrostruktury predikuje velikosti zrn, vzdálenost buněk a rozpětí ramen dendritů, provádí analýzy mikro segregace. 

Základem výpočtu je metoda konečných diferencí FDM.

Ze stejné vývojové dílny pochází i komerční software COMPACT, který je určen pro simulaci toku taveniny, přenos tepla a hmoty, pro modelování tuhnutí ingotů, makrosegregace, růstu zrn a mikrosegregace během rafinace.

Výsledkem dalšího vývoje simulačních software budou nástroje a postupy pro modelování stavů, díky nimž bude možné odlévání vysoce kvalitních produktů s vhodným poměrem odpadu ku maximálnímu ekonomickému užitku. V tomto ohledu jsou důležité tyto tři aspekty:
· Fyzikální a matematické modely popisují zatím slévárenský proces jen částečně. K dosažení stavu, který umožní dobrý popis reality je třeba zvětšení komplexnost modelu. Výzkum v budoucnu přinese určení závislostí mezi parametry inicializačního procesu a výslednou slévárenskou kvalitou.
· Do matematických optimalizačních postupů je třeba zahrnout optimalizační techniky z odlišných inženýrských disciplín, které budou převedeny za účelem optimálního slévárenského procesu
· Hlavní krok ve vývoji numerických metod spočívá nepřímo ve formě velkého zlepšení schopnosti, rychlosti a paměti použitých počítačů.

Aktuální stav optimalizace ukázal dva odlišné přístupy:
· Programy napsané pro specifické technické účely používající vnitřní optimalizační modely. V nich jsou optimalizační přístupy přímo vsunuty do zdrojového kódu počítače. Tento přístup je limitován použitím pro speciální případy a otázky v laboratořích.
· Celé optimalizační prostředí pracuje pro danou konkrétní úlohu bez našeho zásahu v samotném programu. Řešený problém je bez potíží optimalizován převedením na optimalizační program pro různé druhy úkolů. V tomto systému lze optimalizační program používat, aniž by došlo k výměně vnitřní struktury modelovacího software, bez nutné znalosti jejich zdrojového kódu. To umožňuje široký rozsah aplikací s jen jedním programovým balíkem.


                                                                             Stáhnout PDF soubor s kap 5 - 9 (3,8 MB)

Předcházející kapitola: 6.Matematické modely v simulačních programech

Následující kapitola: 8. Úvod do experimentální části
      

Upozornění: Pokud použijete část z moji disertační práce, dodržujte Autorský zákon a dbejte na správnost citací

Pozor: Tento přehled odpovídá době svého vzniku, tj. přelomu 2 a 3 tisíciletí