Matematično modeliranje rotacijskega litja — analiza termomehanskega stanja v orodju Mathematical Modelling of Rotary Casting — Thermomechanical Analysis of a Mould B. Štok, N. Mole, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo Od stopnje poznavanja vplivov, ki opredeljujejo spremembo obdelovanca na njegovi poti skozi tehnološki proces, je odvisna tehnična izvedba postopka, od te pa kvaliteta končnega izdelka ter gospodarnost postopka. Matematično modeliranje fizikalnih problemov lahko predstavlja ob ustrezni računalniški implementaciji izredno močno orodje v rokah projektanta tehnološkega procesa. Čeprav je zmožnost verodostojnega popisa fizikalnega dogajanja v procesu s pomočjo računskega modela pogojena predvsem s stopnjo našega znanja, je vrednost takšnega, z matematičnim modeliranjem ter ustrezno računalniško simulacijo podprtega pristopa predvsem v omogočanju razpoznavanja in razumevanja fenomenologije procesa ter razširitve vedenja o vzročnih povezavah med posameznimi, v procesu prisotnimi parametri. Obravnavano je modeliranje termomehanskega stanja v orodju pri postopku rotacijskega litja. Za doseganje zahtevane natančnosti končnega izdelka predstavlja kokila kot orodje, ki je izpostavljeno cikličnemu obremenjevanju v pogojih izrazitega temperaturnega spreminjanja, izredno pomemben element. Možnost vplivanja, ki je projektantu sicer dana z izbiro začetnih parametrov procesa, dobi ob ustrezni računalniški podpori bistveno močnejšo, predvsem pa strokovno utemeljeno vlogo. Ključne besede: matematično modeliranje, računalniška simulacija, termomehanska stanja, nizko-ciklično obremenjevanje /A quality of the final product and economy of a technological process itself are greatly influenced by the actual stage of common knovvledge on the role of individual parameters involved in the transformation of a workpiece on its way through the process. The mathematical modelling of physical problems when properly implemented by computer techniques, seems to have become a povverful tool in design of technology. Though being avvare that the degree of an authentic description of physical phenomena by a computational means remains strongly dependent on the actual knovvledge of the problem, it is vvell recognized that computer simulation offers a vaste possibility to improve our insight into phenomena, thus upgrading our knovvledge. The paper is concerned vvith a modelling of the thermomechanical state in a mould during rotary casting. Regarding the achievement of the demanded quality of a product the mould, being itself exposed to large cyclic temperature variations, plays an important role. The essential role of an engineer to bring decisions on design and process is professionally more reliable vvhen aided by a computer simulation. Key words: mathematical modelling, computer simulation, thermomechanical state, low-cyclic loading 1 Uvod Izbira ustreznega tehnološkega postopka, ki naj iz materiala določenih lastnosti ter oblike zagotovi končni izdelek zahtevanih lastnosti, predstavlja ključno in morda tudi najbolj zahtevno nalogo v fazi projektiranja proizvodnje nekega izdelka. Za uspešno razrešitev te naloge je potrebno temeljito poznavanje vplivov, ki pogojujejo spremembo obdelovanca na njegovi poti skozi tehnološki proces. Od stopnje poznavanja teh vplivov, med katere uvrščamo na eni strani vplive, ki so pogojevani s samo fenomenologijo materialnih sprememb, na drugi strani pa vplive, ki so pogojevani z delovanjem orodja na obdelovanec, jc odvisna tehnična izvedba postopka, od te pa kvaliteta končnega izdelka ter gospodarnost postopka. Glede na zahtevano kompleksno znanje, ki ga dandanes zaradi specifičnosti in specialnosti posameznih segmentov v procesu projektiranja ne more obvladati en sam človek, lahko že možnost podrobnejše analize enega samega segmenta bistveno vpliva na kvaliteto končnega izdelka. Tak pomemben segment predstavlja orodje, katerega obnašanje med samim tehnološkim postopkom pogojuje kvaliteto končnega izdelka v tistem delu, ko gre za izpolnjevanje zahtevane natančnosti geometrije in kvalitete površine. Glede na to, da je odziv orodja pogojevan s spremembo termomehanskega stanja v njem, je poznavanje termomehanskega stanja v materialu orodja oz. ustrezna analiza, ki omogoča njegovo določitev, ključnega pomena za pravilno konstrukcijo le-tega. Ker pa jc termomehansko stanje v orodju izključno pogojeno s tehnološkim procesom, je ob dani možnosti ustrezne analize termomehanskega stanja mogoče optimirati tehnološke parametre procesa za doseganje zahtevanih lastnosti končnega izdelka, ne nazadnje pa tudi za povečanje življenjske dobe orodja. V prispevku obravnavamo razvoj termomehanskega stanja v orodju — kokili pri postopku rotacijskega litja. Glede na to, da je prikazana analiza izvedena ob ustreznem matematičnem modelu, katerega odziv je morebiti sporen predvsem zaradi neustrezne eksperimentalne verifikacije vanj vključenih materialnih lastnosti, je rezultate smiselno obravnavati kvalitativno, kar pa ne zmanjšuje pomena te analize. 2 Matematično modeliranje rotacijskega litja Postopek rotacijskega litja spada med tiste termomehanske probleme, kjer ima razvoj temperaturnega polja v orodju izrazit vpliv na deformacijsko-napetostno polje ter njegovo časovno spreminjanje. Ker nudi računalniška simulacija rotacijskega litja v kokilo vse potrebne elemente za optimi-ranje procesa, jo je smiselno izvesti že v fazi projektiranja procesa. Seveda temelji takšna simulacija na ustreznem poznavanju za proces značilnih mehanizmov, na osnovi katerih je izdelan ustrezen matematični model. Čeprav je njegova zmožnost verodostojnega popisa fizikalnega dogajanja v procesu pogojena predvsem s stopnjo našega znanja, je vrednost takšnega, z matematičnim modeliranjem ter ustrezno računalniško simulacijo podprtega pristopa predvsem v omogočanju razpoznavanja fenomenologijc procesa ter vzročnih povezav med posameznimi, v procesu prisotnimi parametri. 2.1 Osnovne enačbe termomehanskega problema Termomehansko stanje, ki ga v celoti opredeljujeta temperaturno in deformacijsko-napetostno polje, je v splošnem posledica dveh zunanjih učinkov. Zaradi toplotnega neravnotežja v primeru izpostavljenosti telesa določene začetne temperature vplivu okolice drugačne temperature ali drugih zunanjih posrednikov toplote pride v celotnem sistemu telo-okolica do procesa vzpostavljanja toplotnega ravnotežja. Temperaturno polje T(xk,t) v opazovanem telesu je zaradi tega prostorsko in časovno spremenljivo. Drugi učinek, ki se prvenstveno odraža v deformiranju telesa, zaradi tega pa tudi v ustreznem napetostnem stanju, predstavlja obremenitev telesa. Le-ta se lahko pojavlja bodisi neposredno v obliki statične obtežbe, bodisi posredno v obliki obtežbe, inducirane zaradi temperaturno nastalih deformacij. Polji, tako deformacijsko £,j(xk. /), kakor tudi napetostno aj}(xk,/), sta prav tako kot temperaturno polje prostorsko in časovno spremenljivi. Določitev termomehanskega stanja v obravnavanem telesu sledi iz rešitve sistema diferencialnih enačb, ki popisujejo dano fenomenologijo. Za razrešitev obravnavanega problema lahko uporabimo nevezano teorijo termo-mehanike, v okviru katere lahko temperaturni del problema rešimo neodvisno od mehanskega. Tako določeno temperaturno polje predstavlja ob preostali mehanski obremenitvi telesa osnovo za določitev deformacijsko-napetostnega polja. 2.1.1 Toplotna analiza Temperaturno polje T(xk,t) določimo na osnovi toplotne analize, ki je definirana z enačbo prenosa toplote ter pripadajočimi začetnimi in robnimi pogoji. V tenzorski obliki zapišemo enačbo prenosa toplote na sledeči način CT = (kT,),+Q. xkeQ(l). (1) pri čemer je T temperatura, C' toplotna kapaciteta, k toplotna prevodnost in Q toplotni izvor. Simbola (') in ( ), označujeta časovni odvod (') = ter odvod po krajevni koordinati j-, t ), = Če zasledovanje obravnavanega problema opredelimo časovno z intervalom t > 0, mora temperaturno polje T(xk , i), ki sledi kot rešitev enačbe (1), zadostiti začetnim in robnim pogojem T(xk,0) = T*(xk,0) = To(xk), xkeQ(0) HT(T.xk.t) = o, xker (t). ki so predpisani v območju fi(0) ter na ograji T (t) tega območja. Funkcija Hj(T. xk, t) predstavlja implicitno obliko možnih robnih pogojev, ki jih za /> 0 ob razdelitvi ograje T(/) v skladu z rT u r, = r, rrnr? = o delimo na bistvene T(xkj) = T*(xk.t), fterT(() (3i in naravne q = -kTim, xkerq(t). (4) Bistveni robni pogoji določajo velikost temperature T(xk,t) na delu ograje \'r(t), medtem ko naravni robni pogoji določajo intenzivnost izmenjave toplote na delu ograje r?(/), katere norntalo določa vektor n,. Slednji vključujejo predpisani toplotni tok r/,, skozi ograjo, toplotni tok zaradi konvekcije 0 možno tudi robne pogoje v primeru deforma-cijsko-napetostne analize razdeliti na bistvene u, =«"(**,/), xkET „(/) (12) in naravne o-jjUj = p"(xkJ), xk