Sử dụng phần mềm procast mô phỏng một số phương pháp đúc kim loại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHĨ HỊ CHÍ MINH TRUONG DAI HQC BACH KHOA Nguyễn Thanh Hải (Chủ biên) Nguyễn Tuấn Vinh MO PHONG DUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST KBOOKBKMT.COM NHA XUAT BAN DAI HOC QUOC GIA THANH PHO HO CHi MINH - 2021 LỜI GIỚI THIỆU Đúc công nghệ quan trọng ngành kỹ thuật khí Đúc có thê tạo tiết có hình dạng đơn giản phức tap, chat lượng, độ xác khác Cơng nghệ đúc khn vỏ mỏng, khn mẫu chảy, khn mẫu hóa khí sử dụng khuôn dùng lần, tạo vật đúc có độ bóng bề mặt độ xác cao Trong đó, cơng nghệ đúc khn kim loại tĩnh, đúc áp lực, đúc ly tâm, đúc liên tục sử dụng khn kim loại vật đúc có chất lượng cao Tài liệu Mô đúc phần mềm Procast biên soạn nhằm phục vụ công tác giảng dạy học tập sinh viên Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, phù hợp với đề cương mơn học Kỹ thuật chế tạo Mơ phóng trình tạo hình vật liệu Tài liệu gồm phần liên quan đến phương pháp phan tử hữu hạn, giới thiệu phần mềm Procast, mô số phương pháp đúc đúc khuôn cát, đúc áp lực thấp, đúc áp lực cao, đúc mẫu chảy, đúc liên tục Ở phương pháp, nhóm tác giả giới thiệu nguyên lý bản, trình tự bước mơ từ tạo mơ hình 3D, tạo lưới, thiết lập thơng số cơng nghệ phân tích kết Do tài liệu biên soạn lần đầu, khơng tránh khỏi sai sót, mong góp ý đồng nghiệp quý độc giả Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Khoa Cơ khí, phòng ban Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, đồng nghiệp hỗ trợ để xuất tài liệu Thư góp ý, xin gởi Bộ mơn Thiết bị & Cơng nghệ Vật liệu Cơ khí, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 268 Lý Thường Kiệt, Phường 14, Quận 10, TP Hơ Chí Minh Từ khóa: Đúc khn cát, đúc áp lực, đúc mẫu chảy, Procast, phần tử hữu hạn, mô Các tác giả LÒI GIỚI THIỆU n MỤC LỤC 1.5 1.6 17 Một số dạng phần tử qui chiếu Lực, chuyển vị, biến dạng ứng suất Sơ đỗ tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn Các dạng phần tử hữu hạn Phần tử quy chiếu, phần tử thực BH Qui tắc chia miền thành phần tử 12 1.3 1.4 œ Nút hình học ® 1.1 Chương I KHÁI NIỆM PHÀN TỬ HỮU HAN 10 II Chương GIỚI THIỆU PHÀN MÈM PROCAST Chương HƯỚNG DẪN CƠ BẢN VẺ PROCAST 3.1 3.2 3.3 3.4 Khởi động Procast 17 17 Mở file Luu file Các bước q trình mơ 18 19 19 Chương MO PHONG ĐÚC KHN CAT 4.1 Tạo mơ hình 3D cho tiết đúc 4.2 Mesh (tạo lưới) tiết 4.3 44 Thiết lập thông số Cast View cast q trình mơ Chương MƠ PHỎNG ĐÚC KHN MẪU CHẢY 5.1 Tạo mơ hình 3D cho tiết Mesh tiết 5.3 Thiết lập thông số Cast 5.2 5.4 'Viewcast q trình mơ 21 22 22 27 37 39 40 4I 46 60 Chương 6.1 6.2 6.3 6.4 Chwong 7.1 7.2 7.3 7.4 Chwong 8.1 8.2 §.3 8.4 Chương 9.1 9.2 9.3 9.4 MƠ PHỊNG ĐÚC MẪU HĨA KHÍ Tạo mơ hình 3D cho tiết Mesh chi tiét Thiết lập thông sé Cast Viewcast q trình mơ MO PHONG DUC AP LUC THAP Tạo mơ hình 3D cho tiết Mesh chi tiét Thiết lập thông sé Cast Viewcast q trình mơ 62 62 63 67 78 80 80 81 85 97 MO PHONG DUC ÁP LỰC CAO Tạo mơ hình 3D cho tiết Mesh tiết Thiết lập thông số Cast 99 99 100 104 Viewcast q trình mơ 127 MƠ PHỎNG ĐÚC LIÊN TỤC Tạo mơ hình 3D cho tiết Mesh chi tiét Thiét lap thông số Cast 130 130 Viewcast q trình mơ 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 135 145 MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST a Chuong KHAI NIEM PHAN TU HUU HAN 1.1 Nut hinh hoc Nút hình học tập hợp ø điểm miền V để xác định hình học phan tử hữu hạn (PTHH) Chia miễn V theo nút trên, thay miễn V tập hợp phần tử w° có dạng đơn giản Mỗi phần tử w° cần chọn cho xác định giải tích theo toạ độ nút hình học phần tử đó, có nghĩa tọa độ nằm y° biên 1.2 Qui tắc chia miền thành phần tử Việc chia miền V thành phần tử w° phải thoả mãn hai qui tắc Sau: Hai phần tử khác có điểm chung nằm biên chúng Điều loại trừ khả giao hai phần tử Biên giới phần tử điểm, đường hay mặt (Hình 1.1) Tập hợp tất phần tử »° phải tạo thành miền gần với miền V cho trước tốt Tránh không tạo lỗ hổng phan tir v v — ———- Ci giới biên giới biên giới Hình 1.1 Các dạng biên chung phần tử 1.3 Các dạng phần tứ hữu hạn Có nhiều dạng phần tử hữu hạn: phần tử chiều, hai chiều ba chiều Trong dạng đó, đại lượng khảo sát có thẻ biến thiên bậc (gọi phần tử bậc nhất), bậc hai bậc ba v.v Dưới đây, làm quen với số dạng phần tử hữu hạn hay gặp MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST Phần tử chiều «f—”—sg Phần tử bậc hai Phần tử bậc ~~ —_—* Phần tử bậc ba Phần tứ hai chiều NIAD LAI ES LY Phần tử bậc Phần tử bậc hai Phan tir bac ba Phần tử ba chiều Phan tử bậc 1.4 Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba Phần tử quy chiếu, phần tử thực Với mục đích đơn giản hố việc xác định giải tích phần tử có dạng phức tạp, đưa vào khái niệm phần tử qui chiếu, hay phần tử chuẩn hoá, ký hiệu w” Phần tử qui chiếu thường phần tử đơn giản, xác định không gian qui chiếu mà từ đó, ta biến đơi thành phân tử thực »° nhờ phép biến đối hình hoc re Vi du trường hợp phần tử tam giác (Hình 1.2) (5) n (3) 0,1 (2) 0,0 1,0 g x Hình 1.2 Phần tử quy chiếu phần tử thực tam giác MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST Cac phép bién đổi hình học phải sinh phần tử thực phải thoả mãn qui tắc chia phần tử trình bày Muốn vậy, moi phép biến đồi hình học phải chọn cho có tính chất sau: a) Phép biến đổi phải có tính hai chiều (song ánh) điêm & phan ttr qui chiều biên; điểm y ứng với điêm v° ngược lại b) Mỗi phần biên phần tử qui chiếu xác định nút hình học biên ứng với phân biên phân tử thực xác định nút tương ứng Chú ý: tử 1.5 - Một phần tử qui chiếu w' biến đổi thành tất phan tử thực »° loại nhờ phép biến đổi khác Vì vậy, phần tử qui chiếu gọi phần tử bố-mẹ - Có thê coi phép biến đổi hình học nói phép đổi biến đơn giản € (ế, n) xem hệ toạ độ địa phương gan với phần Một số dạng phần tử qui chiếu Phần tử qui chiếu chiều $a» TẾ Phần tử bậc —=——e—.-.> + 1L Š - —¬—+e—vc—e> 12 Phần tử bậc hai 01 Š Phân tử bậc ba Phần tử qui chiếu hai chiều " 1 1/1 ly My 1; Phần tử bậc Phần tử bậc hai ‡5; € 00 373 '% 2/1 Isls & Phần tử bậc ba 10 MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST ws Phan tir qui chiéu ba chiéu Phân tử tứ diện 0.0.1 Phan tử bậc = Phan ttr bac hai Phần tử bậc ba Phần tử sáu mặt Phan tử bậc — Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba 1.6 Lực, chuyển vị, biến dạng ứng suất Có thể chia lực tác dụng ba loại ta biểu diễn chúng dạng véctơ cột: - Lực thể tích ƒ: ƒ=/f #& #,#.I - Lực diện tích7: 7= T[ Tu Ty, T:J” - Lực tập trung P¡ Pi= Pi [ P„ Py, P:JT Chuyển vị điểm thuộc vật ký hiệu bởi: H = [u, v, wjT (1.1) MO PHONG ĐÚC KIM LOẠI TRÊN PHẨN MẺM PROCAST Các thành phần tenxơ biến dạng ký hiệu ma trận cột: E=[&, & Ex Ko Keo XelT (1.2) Trường hợp biến dạng bé: _[Êm â dv ôm dy & ôn dw du, dw & dy & au, av)" ox by (13) & ~ Các thành phần tenxơ ứng suất ký hiệu ma trận cột: T= [O%, Oy Oy Oy, Oxy Ơay]” (1.4) Voi vat ligu dan hồi tuyến tính đẳng hướng, ta có quan hệ ứng suât với biên dạng: do: o=De Dz (1.5) l-v ov v i-v Vv vy -2v)| E (+v v 0 0 0 il-v 0 0 05-y 0 0 0 05—y 0 0 0 05-y ov E module dan hồi, v hệ số Poisson vật liệu 1.7 So dé tinh toán phương pháp phần tử hữu hạn Một chương trình tính PTHH thường gồm khối sau: Khối 1: Đọc liệu đầu vào: Các liệu bao gồm thông tin mô tả nút phần tử (lưới phần tử), thông số học vật liệu (module đàn hôi, hệ số dẫn nhiệt ), thông tin tải trọng tác dụng thông tin liên kết kết câu (điều kiện biên); ` Khối 2: Tính tốn ma trận độ cứng phần tử & véctơ lực nút phần tử ƒ phần tử; Khối 3: Xây dựng ma trận độ cứng tổng thể K véctơ lực nút F chung cho hệ (ghép nôi phân tử); MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST Khối 4: Áp đặt điều kiện liên kết biên kết cấu, cách biên đôi ma trận độ cứng K Khối 5: Giải phương véctơ chuyên vị chung Q; Khối 6: Tính tốn gradien nhiệt độ, v.v.) ; vec tơ lực nút tơng thê F; trình PTHH, đại lượng xác định nghiệm khác (ứng hệ suất, biến dạng, Khối 7: Tổ chức lưu trữ kết in kết quả, vẽ biểu đồ, đồ thị đại lượng theo yêu câu MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST Hinh 9.1 Giao dién Mesh công cụ mà ta sử dung giao dién Mesh: - Thanh cong cu Mesh 2D 2D Mesh | 3D Mesh EF surface Mesh Workflow Shelling Tools Macro Shift + F2 Remesh (Wrap) BA Remesh Split at Intersections Basic Shapes FQ Check Surface Mesh Boundary Element Quality Element Normals (Orientation) Coincident Nodes Coincident Elements Node/Point 10 20 Shift + F3 Shift + F10 Wind 131 132 MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST - Thanh công cụ Mesh 3D 3D Mesh | Workflow ie Tools Volume Mesh | Layer Mesh (Grow) i Layer Shell : Boundary Layer [ Flow Check Element Quality 3D » Chon Open files để mở file tiết đúc thiết kế từ trước Hình 9.2 Chỉ tiết sau chèn vào giao dién Mesh Tại Quick Access toolbar chon 2D Mesh — surface mesh mesh toàn bê mặt tiệt đúc —› Mesh All Surface dé MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST eee Groups GLOBAL EN : 133 x [Count |Element Size 23 Global Size/1: Trong 46, Group 1a nhém, Count số đường Element Size la độ chia lưới cho bê mặt thuộc nhóm, 134 MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST Hình 9.3 Chỉ tiết sau Mesh 2D Tại Quick Access toolbar chon 3D Mesh — Volume mesh dé mesh toàn thê tích chi tiet dic + Mesh — Apply to) = Transition: @ uniform © Gradual © Advanced Options (clean up Skin Mesh Hình 9.4 Chi tiết sau Mesh 3D MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST 135 9.3 Thiết lập thông số Cast Nguyên lý a) Ở đầu vào, nên áp dụng nhiệt độ BC có định b) Tại đầu ra, nên áp dụng đường đoạn nhiệt BC (thông lượng băng không) c) Tại nơi tiếp xúc khn đặt bình thường vật đúc, hệ số truyền nhiệt d) Ở mặt bên vật đúc, Heat BC đặt bình thường e) Trong miền đúc, tốc độ truyền tải vật rắn phải xác định Process Condition Manager 136 MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST Pces Conon Siftere fihee heeERY sytty SaBarend ret me) v km v t2 Để xác định tốc độ truyền tải vật rắn, phải điền vào bảng sau: Process Condition Database (ele tata MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST 137 Nhiệt độ ban đầu miền xác định, nhiên nhiệt độ ban đầu không ảnh hưởng đến trạng thái ổn định cuối Đối với vật đúc, nhiệt độ đầu vào thường chọn khuôn, nhiệt độ mơi trường làm mát chọn Việc tính tốn sau thực hiện, trạng thái “giả” tương ứng với nhiệt độ ban đầu định đạt trạng thái ôn định Hình sau cho thấy thay đổi nhiệt độ vật đúc khuôn trình tính tốn Sau khoảng 150 giây, trạng thái én định đạt (nghĩa nhiệt độ không thay đổi nữa) Người ta thấy hình bên cách nhiệt độ thay đồi trình đúc suốt q trình tính tốn Chỉ có kết cuối tương ứng với trạng thái ôn định quan tâm Tất kết trung gian khác nên loại bỏ Thiết lập thông số: Gravity Vector/Tilt: Tai ctra s6 Gravity Vector/Tilt ta thiét lap chiều vector trọng trường phù hợp với hình dạng tiết đúc, gia tôc trọng trường nơi cân đúc Hình 9.5 Thiết lập chiều trọng trường gia tốc trọng trường 138 MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST Thiết lập vật liệu, nhiệt độ cho tiết đúc khuôn: Tại cửa số Volume Manager DR Wlume Manager SL |Name | = | A Type Pan†_1 Alloy Copy of Part2“Ass | Mold Copy of Part2“Ass | Mold | Material ENAC-21000 ACu4 Steel H11 Steel H11 | Fil% |000 10000 10000 |Initial Te [70000 |2000 |2000 [ Material |Database [Public |v] Category Mass of casting alloy: 0.010kg ? x | Stress Type,| |C |C |C v|Rgd v|Rgd v|Rgd (list Hidden Volumes ] {Reset |Ï; Apply | close A Tại cột Type: loại tiết: lõi, hợp kim, khuôn, Tại cột Material: chọn chất liệu cho tiết khuôn vừa thiết lập Tai cura sé Process Condition Manager chọn add — Fluid flow — Solid Transport —› click chuột phải Oi Process Condition Manager SL|Name [Solid Transport_1 |Vasey_1 |Wal1 |Pressure_1 Selection Process Condition Type : All | Type Entity |SaldTrmspot Velocity Wal Pressure Boundary Cond |Pamll USER_Region USER_Wall_1 USER_Region_1 BC_ Sold Transport V-0-10m/ E bar |Area(Sa.m | 400.0000 297.0188 hee Database [Pubic |v] Name [1bar { Reset | {1s Tai clra sO Process Condition chon add — Fluid flow > Velocity Manager — Apply | cose click chudt phai MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST ID 139 Pioces: Condition Manager SL[Name | Solid Transport_1 2_|Velocty1 |Wal [Pressure_1 Tipe Solid Transport Entity [Boundary Cond |AreafSq.m ] USER Region USER_Wall_1 V-0-1.0s ee 400.0000 297.0188 Pafl_1 Velocity Wall Pressure BC_Solid Transport USER_Region_1 ‘bar Selection [> Volume Process Condition Type: All LER] | Ds Region Database [Pubic ¥) Name | tbar vị +] Reset Tai ctra sé Process Condition chon add — fluid flow > Wall ¡"se SL|Name |SoldTampetl Velocity1 |Wall [Pressure_1 Selection Process Condition: Type: All Manager Apply — Close click chuột ]i phải 000 .JTipe [Sold Transpot Velocity Wall Pressure JEruy _|Partt_1 USER Region USER_Wall_1 USER Region_1 [Boundary Cond JArea(Sa.m BC_Solid Transport V-0:10m/s 400.0000 Es 297.0188 Thất hems) Database [Public xị [ Reet Tại cửa số Process Condition chon add — Fluid flow — Pressure Manager I [4] | : aepv |[ close —› click chuột phải 140 MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST SL |Name | |SaldTramspenl |Vdeey.1 |WaiT [Pressure1 Selecton Tp Volume (_ Procss Condition | re: at Type ]SðdTamge Velocity Wall Pressure TEX] [IS Region Entity [Boundary Cond _,| Area(Sq m |Patll [USER Region USER Walt USER Region_1 BC_Sold Trenspot [V-0.10m/s — |4000000 lệ 297.0188 “bar =1] Database |PUDl [Yi] Name [ber v #21 sex [aoe |=] | Thiết lap cdc théng sé cho mé phong: tai ctra sé Simulation Parameters: chon Straight Continous Casting Category Unit Predefined Parameters [Straght Continuous Casting wv) [] show Sting Selection General Taange Tipe Me [Vue Unt [FU] NSTEP_Slep otteion | Meena Cons 50000 TFINAL Sop tenon FralTime [Const [0.0000=+000 cy] TENDFILL Sip atteron Tine ster [Const [0.0000=+000 se vị Kv [79006002 TSTOPT Stop ateon - Aral Tenperture Pores “TSTOP_PART Sep cteron Sele Vol EB TNILEV Restart Step Cons lạ DT hs Trmewee [Cons 0006 005 ev ‘DIMAXFICL_Waxnum Tnesep for Fl [Const [| 00006-007 lsc [reo DTHAX Mgơnum Trmeaep lerz— Jv[t090, se visexi TUNIS Tenperatireresits Unts — [Cong le x TQUNITS Hest lacresuts Unts [Cone ware x ‘VUNTTS Velocity resuts Uns [Cons Imsse x PUNITS Pressure resuks Unt [Cor bar xị TM Rsesemœ= Et] [atv] [cores ]L s= Tại bảng General: Thiết lập thông số chung số bước mô phỏng, đơn vị đo thông sô, MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST on Pa File Category [General | Thermal Parameter a Unit Pre-defined Parameters [Flow 141 Straight Continuous Castingv] [¥] show String Selection [+ | | Type | Value THERMAL Thermal model activation |Consi TFREQ Temperatur results storage e [Const MFSPATH Multiple soldfication path | Const FOR{ Slep eterion : Fnal Temperature Eonst MACROFS Poosty -ciicalmacroporo |Cons PIPEFS Porosity -crtical piping solid [Const FEEDLEN Porosty-Feedng length [Const NIYAMA_Nyama eferen Const NIYAMA_STAR Dimensionless Niyama orten {Const NYS_ADJUST Calibration parameter for dim [Const GATEFEED Porosty gate feeding (press [Const GATENODE Porosity gate feeding node ( [Const MOLDRIG Mold ridty factor (cast iron [Const GATEFS Poosiygstefeedingsoidr |Const ACCORDION MilEalgorthm activation |Cons HOTSPOTS Hot spots computation activ [Const THMODULE_ Chwveinovwthemal module |Const BURNON Solid fraction at crtical temp [Const BURNONT Crtical temperature value fo [Const ON (Temperature) 10 OFF OFF [7000-001 3.0000e-001 5.00006+000 (0.000000 0.000000 1000000 OFF 1.0000ex000 (0350000 straight accordion OFF OFF 0.000000 | Value Unit xị v mm x v —_[v| v vị c x [LT Advanced Help = [B Select GATENODE i] Cancel Close Tai bang Thermal: Thiết lập thông số liên quan đến nhiệt độ, tân sô giảm nhiệt, mở tắt chê độ nhiệt độ mô phỏng, 142 MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST Pen} File Category Unit Pre-defined Parameters [SelectPreDefinedSet — {General [Thermal] Flow [ + Parameter [v] Ì | Type |Value Const OFF FLOW Flow model activation Const FREESFOPT Free surface algorthms GAS Gas model activation VEREQ Velociy resuls sioragerr [Const (Const Const FREESF Free surface model activ PREF Reference pressure PINLET Activation of a pressure LVSURF Maximum filfraction LVMASS LVMASS_PART COURANT WSHEAR WALLF PFREQ_ JUNCTION OXIDATION TILT show String Selection Maximum mass of casting Select volumes for LVMA Filing parameter Sip algorithm at mold wall Wal Slip parameter Particle tracking launch Metal front tracking algon Particles sedimentation a Tit pouring activation ONG) Simple OFF 20 Const Const 1.0000+000 OFF Const 1.1000ex000 Const 0.000000 Const (Const Const Const Const Const [Const 1000001 [ON @urbulert) [v]80M&Đ0i a a l0 OFF vị [Value Unt |F@)U | Ixj vị Ix| [vl Ee] kg & sec [V Pouring Control LT Advanced LT Advanced? = COURANT :- Specifies the courant limit on time step size This parameter is only used for filing problems IF COURANT is set to 1.0, the time step will be adjusted so that the fluid wil advance no more than one element lenath This is a fairly severe limit on time step size, but will aive the most accurate results for filing transients PATIQ ART cinea the warrinn 29147 ie mndifiad aiitrmaticalhe hee tha enluar Ininn fram 19 i tha ear dafinad T} select Gatenone [5| | Apply Cancel B8] ‘Check Free surface mod ‘Close xuất h ién dòng chit No erros/Warning found this Model có thê tiễn hàn| mơ Tại cửa số Start Simul: ation ene — ©mesr [FE2 JMx(4) © subse oúy Dive oatcast ‘Sb Sobers OMee cam C cac ben Ces pagcker resort XoiÍS—— ] Elseins [pata cheds Han sc) mm | [reer Chọn Rưn để khởi chạy mô in 144 9.4 MO PHONG BUC KIM LOAI TREN PHAN MEM PROCAST Viewcast qua trình mơ Hình 9.6 Mơ theo mơ đun nhiệt độ, tốc độ dịng chảy MO PHONG ĐÚC KIM LOẠI TRÊN PHẨN MẺM PROCAST 145 TÀI LIỆU THAM KHẢO Procast User’s Guide 2018 Manufacturing Engineering & Technology, 7" Edition, Serope Kalpakjian and Steven Schmid, Prentice Hall