Mô hình hóa và mô phỏng quá trình đúc áp lực

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ QUỐC PHONG MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH ĐÚC ÁP LỰC Chun ngành : CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU KIM LOẠI Mã số ngành : 60.52.91 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2006 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Ngọc Hà Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Đặng Mậu Chiến Cán chấm nhận xét 2: TS Lương Hồng Đức Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM, Ngày 12 tháng 10 năm 2006 II TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày tháng năm 200 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ QUỐC PHONG Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 24/06/1977 Nơi sinh: Vĩnh Long Chuyên ngành: Công Nghệ Vật Liệu Kim Loại MSHV:00303062 I- TÊN ĐỀ TÀI: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH ĐÚC ÁP LỰC II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nội dung đề tài nghiên cứu xây dựng kiểm tra mơ hình mơ q trình đúc áp lực máy tính, dựa môi trường mô chuyên nghiệp ANSYS, ProCAST… • Tổng quan nghiên cứu quan trọng • Thẩm định lại mơ hình tốn để xác định tính phù hợp chúng • Xây dựng hiệu chỉnh mơ hình máy tính • Cải thiện mơ hình máy tính để tăng tốc độ độ xác • Xác định tính hợp lý lý thuyết kiểm tra mơ hình máy tính Mơ q trình đúc áp lực chi tiết vành bánh xe ôtô so sánh kết mô với kết thực nghiệm Dự kiến kết đạt được: • Mơ hình hóa qui trình đúc áp lực thấp hợp kim có độ nóng chảy thấp máy đúc tự động • Mơ q trình đúc áp lực chi tiết vành bánh xe ơtơ III • Nhận xét kết mơ để dự đốn trước khuyết tật xảy sau trình đúc III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực LV ghi Quyết định giao đề tài): IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Nguyễn Ngọc Hà CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH TS Nguyễn Ngọc Hà TS Nguyễn Ngọc Hà Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chun ngành thơng qua Ngày TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH tháng năm TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH IV LỜI CẢM ƠN Quá trình học tập trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh giúp tơi tiếp thu tích lũy kiến thức quí giá, tiền đề giúp cho tơi hồn thàmh luận văn thạc sĩ hành trang giúp vững vàng hơn, tự tin cơng việc nghiên cứu sau Xin kính gửi long biết ơn chân thành đến tất q thầy Khoa Cơng Nghệ Vật Liệu tạo điều kiện tốt cho học tập nghiên cứu, đặc biệt TS Nguyên Ngọc Hà, tận tình bảo hướng dẫn tơi suốt q trình thực luận văn Tơi xin bày tỏ long biết ơn người hỗ trợ tơi suốt q trình thực luận văn Xin trân trọng cảm ơn TS Tô Bá Văn - Viện Khoa Học Vật Liệu hỗ trợ tài liệu tham khảo; KS Phan Bá Thành Danh - Công ty Gamelofe hỗ trợ thiết bị phần mềm mô phỏng; em sinh viên khóa 2001 Khoa Cơng Nghệ Vật Liệu Sau cùng, xin cảm ơn gia đình, bạn bè quan tâm, động viên hỗ trợ suốt năm qua Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2006 Học viên thực Lê Quốc Phong V TÓM TẮT Mục tiêu luận án sử dụng phương pháp mơ hình hóa với hổ trợ máy tính để giải vấn đề mơ phỏng, tính tốn thiết kế tối ưu thơng số cơng nghệ q trình đúc áp lực Trên sở đó, luận án trình bày nội dung sau: Phần Luận Án trình bày hai chương Chương 1: Tổng quan mơ với trợ giúp máy tính ứng dụng mơ hình hóa mơ ngành công nghiệp Chương 2: Tổng quan ứng dụng mơ hình hóa mơ phần mềm Ansys, ProCAST công nghệ đúc áp lực Cấu trúc xây đựng mơ hình máy tính trình bày ba chương Chapter 3: Mơ tả sở mơ hình tốn mơ hình máy tính Nó bao gồm số giả định vật lý phương trình vi phân Những giả định vật lý xây dựng lên cố để làm đơn giản hóa phương trình vi phân phù hợp với mục tiêu luận án Chương 4: VI Khảo sát vài phương pháp số Đưa tượng vật lý tự nhiên vào mơ hình mơ chọn phương pháp tiêu biểu thích hợp với mơ hình Từ phương pháp tiêu biểu chọn phương pháp số thích hợp Chương 5: Kết hợp mơ hình tốn phương pháp số thành tổ hợp phương trình yếu Thẩm định mơ hình mơ trình bày hai chương Chương 6: Đánh giá hiệu mơ hình mơ máy tính cách thực mơ q trình đúc áp lực thấp Sau so sánh kết mô kết thực nghiệm Thảo luận ảnh hưởng dòng chảy kim loại lên trình kết tinh Chương 7: Kết luận kiến nghị hướng phát triển đề tài VII ABSTRACT The aim of this thesis is using modelling method to simulate, calculate and determine optimal of die casting The research content is composed of: The first section of this thesis is described in two chapters Chapter 1: Overview of computer simulation and application of computer modelling and simulation Chapter 2: Overview of application of computer modelling and simulation by the Ansys and ProCAST software in die casting manufacture The construction of the computer model is described in tree chapters Chapter 3: Describes the mathematical model on which the computer model is based It consists of a number of physical assumptions and differential equations The physical assumptions are made in order to simplify the differential equations and are kept within the scope of the thesis Chapter 4: Examines a number of numerical methods It examines the nature of the physical phenomena we wish to model and selects the most appropriate VIII numerical representation From this representation, a suitable numerical method is chosen Chapter 5: Combines the mathematical model and numerical method into a set of governing equations The testing of the computer model is described in the last two chapters Chapter 6: Evaluates the performance of the computer model by simulating a commercial low pressure die casting After comparisons are made between the theoretical and experimental results, the effects of fluid flow upon solidification are discussed Chapter 7: The conclusion and suggestion are presented Luận Văn Thạc Sĩ HV: Lê Quốc Phong MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1.1 Ngành công nghiệp đúc phương pháp mơ hình hóa mơ 1.1.2 Mô giải pháp đại công nghệ đúc 1.2 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN ÁN 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 10 1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN ÁN 10 1.5 KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC 11 CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ MÔI TRƯỜNG MÔ PHỎNG 12 2.1 Giới Thiệu Tổng Quan Về ProCAST 14 2.1.1 ProCAST Phương Pháp Mô Phỏng Tiên Tiến 14 2.1.1 ProCAST Khả Năng Tích Hợp Mạnh 15 2.2 Các Mơdun Chính Yếu Trong ProCAST 17 2.2.1 Modun MeshCAST 18 2.2.2 Modun PreCAST 18 2.2.3 Modun DataCAST ProCAST 19 2.2.4 Modun ViewCAST 20 -0- Luận Văn Thạc Sĩ HV: Lê Quốc Phong Hình A Phân bố vận tốc kim loại khuôn với điều kiện biên vận tốc - 80 - Luận Văn Thạc Sĩ HV: Lê Quốc Phong Hình A Phân bố trường nhiệt độ khn kim loại đúc điền đầy hồn tồn - 81 - Luận Văn Thạc Sĩ HV: Lê Quốc Phong Hình A Phân bố áp suất khn với điều kiện biên áp suất - 82 - Luận Văn Thạc Sĩ HV: Lê Quốc Phong Hình A Phân bố tỉ lệ pha rắn khuôn - 83 - Luận Văn Thạc Sĩ HV: Lê Quốc Phong Hình A Thời gian đơng đặc vị trí khuôn - 84 - Luận Văn Thạc Sĩ HV: Lê Quốc Phong Hình A Mơ hình phần tử hữu hạn khuôn đúc vá kim loại đúc - 85 - Luận Văn Thạc Sĩ HV: Lê Quốc Phong Hình A Đường nguội số phần tử chọn mơ hình mơ - 86 - Luận Văn Thạc Sĩ HV: Lê Quốc Phong Hình A Sự thay đổi áp suất số phần tử chọn mơ hình mơ - 87 - Luận Văn Thạc Sĩ HV: Lê Quốc Phong Hình A 10 Sự thay đổi vận tốc số phần tử chọn mơ hình mơ - 88 - Luận Văn Thạc Sĩ HV: Lê Quốc Phong Hình A 11 Phần pha rắn số phần tử chọn mơ hình mơ - 89 - Luận Văn Thạc Sĩ HV: Lê Quốc Phong A.3 KÍ HIỆU Bảng A.12 Đơn vị nhiệt lý Đại lượng Ký hiệu Đơn vị Khác o Nhiệt độ T K Lượng nhiệt Q J/Kg Enthalpy h J Nhiệt dung riêng C J/Kg K Ẩn nhiệt L J/Kg Tốc độ dòng nhiệt q W Vận tốc v m/s Lực F N Áp suất P Pa Khối lượng riêng ρ kg/m3 Độ dẫn nhiệt k W/mK Sức bề mặt σ J/m2 Dộ truyền nhiệt h W/m2K Độ nhớt động lực học μ Pa.s Độ nhớt động học ν m2/s Thermal Diffusivity α m2/s Mass Diffusivity D m2/s C J/s N/m2 1pc = 10-3Pa.s Bảng A.13 Danh mục ký hiệu l lỏng s rắn m mềm e tinh a Bao quanh p rót v trống o ban đầu f sau k dẫn r xạ c đối lưu - 90 - Luận Văn Thạc Sĩ HV: Lê Quốc Phong A.4 DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM Bảng A.14 Áp lực khí bề mặt kim loại lỏng Ghi Thời gian Áp suất Gradient (s) (kPa) (Pa/s) 0 1654 Khá nhanh để dẫn kim loại lên ống dẫn 13 21.5 405 Hơi chậm để kim loại điền đầy khuôn 50 36.5 1567 Gia tăng áp để kim loại điền đầy triệt để 65 60.0 Duy trì áp vật đúc đông đặc 185 60.0 - Nhả áp lấy vật đúc Bảng A.15 Áp lực tính toán cổng vào Thời gian sau kim loại Áp lực cổng vào Trường áp lực (s) (kPa) (Pa/s) 0 405 30 12.15 1567 45 35.65 160 35.65 tới cổng vào Bảng A.16 Vị trí đặt cặp nhiệt TC1 R H (mm) (mm) 20 Ghi Đặt phía cổng vào mm - 91 - Luận Văn Thạc Sĩ HV: Lê Quốc Phong TC2 22 33 Đặt phía TC1 để đo vận tốc TC3 146 Đặt spreader TC4 95 98 Đặt phía TC5 204 108 Đặt cuối nang bánh xe TC6 169 175 Đặt khoảng vành bánh xe TC7 184 243 Đặt khoảng vành bánh xe TC8 204 284 Chóp vành - vị trí điền đầy sau Bảng A.17 Thời gian điền đầy Run Run Run Run Run Run Run8 Run TC1 25 24.5 26.5 25 - - - - TC2 27 26.5 27.5 26.5 2.0 2.0 2.0 1.5 TC3 34 33 35 34 8.5 8.5 9.0 TC4 37 36 36.5 35 12 11.5 10 10.0 TC5 38 36 37 36 13 11.5 10.5 11.0 TC6 39.5 37.5 39 38 14.5 13 12.5 13.0 TC7 40.5 38.5 40 39 15.5 14 13.5 14.0 TC8 44 42.5 44 42.5 19 18 17.5 17.5 A.5 DỮ LIỆU NHIỆT LÝ Bảng A.18 Tình chất nhiệt lý vài hợp kim nhôm Tl o C Te o C Ts o C ρS ρ1 Cs Al A357 660 613 610 615 557 577 577 A356 Al 7%Si 0.3%Mg 560 kgm-3 2548 kgm-3 2368 J/KgK 300 2670 Al-Cu 648 548 2713 2520 * 2700 2520 - 2340 * - 2380 1100 924 1090 1050 - 92 - Luận Văn Thạc Sĩ HV: Lê Quốc Phong Cl ks kl J/KgK 258 W/mk 210 W/mk 95 L J/kg 882 187 0.36 cal/sec/cm/k 180 395 Bảng A.19 Độ nhớt vài hợp kim Hợp kim Độ nhớt động lực học Độ nhớt động học (1cp = 10 E-3 Pa.s) ( x 10-6 m2/s ) Aluminium 1.235 Aluminium 2.9 A357 Aluminium Alloy Aluminium Alloy 200* Al-4.4%Cu Alloy 8.0 Al-4.4%Cu Alloy 4.5 Steel 7.0 Steel 6.7 Steel Steel 210 100 1.6 * Độ nhớt biểu kiến đúc áp lực thành mỏng - 93 - 394 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: LÊ QUỐC PHONG Ngày, tháng, năm sinh: 24 – 06 – 1977 Nơi sinh: Vĩnh Long Địa liên lạc: 220/61 Hồng Hoa Thám, P.5, Q.Bình Thạnh, TP.HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: (bắt đầu từ Đại học tới nay) Từ 09/1997 đến 07/2002: Học Đại học trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM • Loại hình đào tạo: Chính qui dài hạn • Ngành học: Vật liệu khí • Xếp hạn tốt nghiệp: Giỏi Q TRÌNH CƠNG TÁC: (bắt đầu từ làm tới nay) • Từ 01/2003 đến nay: Cán giảng dạy Khoa Công Nghệ Vật Liệu, trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM ... MSHV:00303062 I- TÊN ĐỀ TÀI: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH ĐÚC ÁP LỰC II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nội dung đề tài nghiên cứu xây dựng kiểm tra mơ hình mơ q trình đúc áp lực máy tính, dựa mơi trường... máy tính Mơ trình đúc áp lực chi tiết vành bánh xe ôtô so sánh kết mô với kết thực nghiệm Dự kiến kết đạt được: • Mơ hình hóa qui trình đúc áp lực thấp hợp kim có độ nóng chảy thấp máy đúc tự động... cứu mơ hình 2D với kết thực nghiệm có sẵn 1.5 KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC • Mơ hình hóa qui trình đúc áp lực thấp hợp kim có độ nóng chảy thấp máy đúc tự động • Mơ q trình đúc áp lực chi tiết vành