Xreferat.com » Рефераты по металлургии » Расчет затвердевания плоской отливки

Расчет затвердевания плоской отливки

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Министерство образования Российской Федерации


Сибирский государственный индустриальный университет


Кафедра литейного производства


Расчет затвердевания плоской отливки

в массивной форме


Выполнили: ст. гр. МЛА-97

Злобина С. А.

Карпинский А. В.

Кирина Л. В.

Тимаревский А. В.

Токар А. Н.

Проверил: доцент, к.т.н.

Передернин Л.В.


Новокузнецк 2001

Содержание

Содержание 2

Задание 3

Постановка задачи 4

1.Графическое представление 4

2.Математическая формулировка задачи 5

Метод расчета 7

Схема апроксимации 8

Алгоритм расчета 11

Идентификаторы 13

Блок-схема 14

Программа 17

Сравнение с инженерными методами расчета 20

Результаты расчета 21


Задание

Отливка в виде бесконечной плиты толщиной 2Lo=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

а2=2,110-5 м2

1=195 Вт/мК

2=101 Вт/мК

1=8600 кг/м3

2=8000 кг/м3

L=221000 Дж/кг

b4=1300 Втс1/2/(м2К)

Tф=293 К

Ts=1312,5 К

Tн=1345 К

N=100

et=0,01 c

eТ=0,01 oC


Постановка задачи

  1. Г
    рафическое представление


Принимаем следующие условия:

Отливка в виде бесконечной плиты толщиной 2Lo затвердевает в объемной массивной песчано-глинистой форме. Принимаем, что теплофизические характеристики формы и металла постоянны и одинаковы по всему объему, системы сосредоточенные, геометрическая ось совпадает тепловой и поэтому можно рассматривать только половину отливки. Lo<пов=Тнач; такая форма называется бесконечной

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

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

Температура затвердевания принимается постоянной, равной Ts;

Теплофизические характеристики сред, aj=j/cjj, j=1,2,4;

Теплоаккумулирующую способность формы примем постоянной, bф==const;

C,, - теплофизические характеристики формы;

Переохлаждение не учитываем;

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

Не учитывается диффузия химических элементов – квазиравновесное условие;

Перенос тепла за счет теплопроводности и конвекции учитывается введением коэффициента эффективной электропроводности:

для жидкой среды 2=n*0, где 0 – теплопроводность неподвижного жидкого металла; n=10;

Не учитывается усадка металла при переходе из жидкого состояния в твердое;

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

q = - jgradT, плотность теплового потока,Дж/(м2с);

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

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

Полученная таким образом содержательная модель и ее графическая интерпретация затвердевания плоской отливки в объемной массивной форме, упрощает формулировку математической модели и достаточно хорошо отражает затвердевание на тепловом уровне, т.е. позволяет получить закон T=f(x;t).

  1. Математическая формулировка задачи

Математическая модель формулируется в виде краевой задачи, которая включает следующие положения:

а) Математическое выражение уравнения распределения теплоты в изучаемых средах.

Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье, которое имеет смысл связи, между временным изменением температуры и ее пространственным распределением:

Или в соответствии с условием 5 запишем:

; x[0,lo], j= (1)


б) Условия однозначности:

1. Теплофизические характеристики сред

j, j, cj, bj, aj, TL, TS

2. Начальные условия

2.1 Считаем, что заливка происходит мгновенно 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, i(2,n) (4)

2.4 Температура на внешней поверхности формы (контакт форма - атмосфера) и температура формы.

T4н=Tф (5)

3. Граничные условия

3.1 Условия сопряжения на фронте затвердевания (условия Стефана) i=nf

(6)

3.2 Температура на фронте затвердевания

(7)

3.3 Условие теплоотдачи на границе отливка-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 конечных разностей (МКР), получим дискретное сеточное решение.

Ti=f(xi;tk).

Метод расчета

Будем использовать МКР – метод конечных разностей.

Сформулированную краевую задачу дискретизируем на сетке.

= - шаг по пространству постоянный; - шаг по времени переменный

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


Явный четырех точечный шаблон Неявный четырех точечный шаблон

И
спользование явного шаблона для каждого временного шага получаем n+1 уравнение с n неизвестными и система решается методом Гауса, но сходимость решения только при очень малых шагах.

Использование неявного шаблона обеспечивает 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)

-точность аппроксимации

(13)

Схема апроксимации

Аппроксимируем задачу 1-9 на четырех точечном неявном шаблоне

Начальные условия:

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

Граничные условия:

(19)

(20)

(21 a)

=> (21)

Условие идеального контакта на границе отливка 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 следующим образом:

Вычисляем нулевое приближенное для каждого шага,

За шаг итерации примем S,

Нулевое приближение S=0.

(23)

Уточняем шаг: S+1

(24)

d – параметр итерации от 0 до 1

для расчета возьмем d=0.

Число S итераций определяется заданной точностью:

Временного шага (25)

И по температуре (26)

et и eTзаданные точности по времени и температуре

et=0,01c, eT=0,1C

tI=0,01cвремя за которое образовалась корочка.

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

Можно задать х, tK=const, тогда неизвестно будет положение фронта, при помощи линейной интерполяции.


Расчет температурных полей:

Метод «прогонки»:

Считается наиболее эффективным для неявно заданных конечно-разностных задач.

Суть метода:

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

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

действительно для всех j и k.

и краевые условия для него:

T1 = p2T2 + q2 (28 а)

Tn = pnTm-1 + qn (28 б)

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

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

Решение уравнения (27) – ищем в том же виде, 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 прогоночных коэффициентов.

Сравним уравнение (29) и (31):

(32)

(33)

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

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

Зная коэффициенты конечных точек и температуру в конечной точке Тi+1 можно вычислить все Тi.

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

Чтобы определить начальные а2и b2, сравним уравнение (29) и уравнение (28 а):

a2 = p2; b2 = q2


Запишем уравнение 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 для граничных 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 в соответствии с (21)

pn=1, qn=0 (41)

подставив (41) в (34) получим

(42)

Алгоритм расчета

  1. Определить теплофизические характеристики сред, участвующих в тепловом взаимодействии λ1, λ2, ρ1, ρ2, L, а1, а2, Тs, Тн, Тф.

  2. Определить размеры отливки, параметры дискретизации и точность расчета

2l0=30 мм, l0=R=15 мм=0,015 м

n=100,

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

еt=0,01 с, et=0,1 оC

  1. Принять, что на первом временном шаге к=1, t1=Δt1, nf=1, Т13, Тiн, , i=2,…,n, Т4ф

  2. Величина плотности теплового потока на границе раздела отливка – форма

(43)

, s=0, (нулевое приближение)

к=2, (44)

  1. Найти нулевое приближение Δtк, 0 на к-том шаге

переход nf → i → i+1 по формуле (23)

  1. Найти коэффициенты Ai, Сi, Вi, Di по соответствующим формулам для сред Метв. и Меж. В нулевом приближении при s=0

  2. Рассчитать прогоночные коэффициенты ai+1, bi+1 для Метв. и Меж., s=0 с учетом что Тnfз.

Т12Т2+g2

Тi2Т22

Найти а2 и в2:

а2=1, (45)

(46)

  1. Рассчитать температуру на оси симметрии

(47)

  1. Рассчитать температурное поле жидкого и твердого металла

(48)

  1. Пересчитать значения ∆tк по итерационному процессу (24)

d – параметр итерации (d=0…1)

проверяем точность;

  1. Скорость охлаждения в каждом узле i рассчитать по формуле:

, оС/с (50)

  1. Скорость затвердевания на каждом временном шаге:

, м/с (51)

  1. Средняя скорость охлаждения на оси отливки:

  1. Положение фронта затвердевания по отношению к поверхности отливки

, к – шаг по времени (52)

  1. Полное время затвердевания

, к′ - последний шаг (53)

  1. Средняя скорость затвердевания отливки

(54)


Идентификаторы






















































































Блок-схема


- [Вводим исходные данные


- [Вычисляем шаг по пространству


- [Вычисляем коэффициенты Аj, Сj для подстановки в (32), (33) и задаем температуру в первой точке


- [Температурное поле для первого шага по времени


- [Делаем шаг по времени


- [Вычисляем плотность теплового потока


- [Шаг по времени в нулевом приближении


- [Начальные прогоночные коэффициенты


- [Шаг по итерации


- [Вычисляем коэффициенты Bj для 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 t


- [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 "; 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 GOTO 34

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))

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Похожие рефераты: