Учебное пособие 800640

поставленная задача с точки зрения топологии есть алгоритм перечисления возможных разбиений поверхности сферы на треугольные области.

На последующих рисунках (рис. 2-4) приведены варианты отвечающих этим точкам геометрических фигур. Как видно из рисунков, только точка P2 отвечает упорядоченной структуре. Соответствующий бесконечный симметричный многогранник может быть выстроен единственным образом.

Рис. 2. Вариант многогранника, отвечающий точке Р1

Рис. 3. Вариант многогранника, отвечающий точке Р2

Рис. 4. Вариант многогранника, отвечающий точке Р3

На рис. 2 показана исходная бипирамида, отвечающая точке Р1, (расстояния, большие 1, отмечены пунктирной линией) и два рисунка составного многогранника. На рис. 2(а) показаны пунктиром оси бипирамид. Многогранник не может быть замкнут без того, чтобы изменить длины некоторых ребер. Ребра с длиной, меньшей 1, выделены на рисунке более широкой линией. На рис. 4 соответствующий многогранник показан незамкнутым. Заметим также, что приведенные на рисунках многогранники выбраны для демонстрации соответствующей симметрии исходной фигуры. На каждом шаге присоединения бипи-

130

Рис. 6. Структура фуллеренов: а) 36, б) 96, в) 540

а)

б)

Рис. 7. Структура углеродной нанотрубки: а) общий вид нанотрубки, б) нанотрубка, разорванная с одного конца

Структуру нанотрубок можно представить себе так: берем графитовую плоскость, вырезаем из нее полоску и "склеиваем" ее в цилиндр (на самом деле, конечно, нанотрубки растут совсем по-другому).

Вышеуказанные соединения находят широкое применение в армии и спецслужбах для предупреждения, затруднения теракта и устранения его последствий.

Используются, например, новые средства и методы контроля и защиты документов от подделки на основе наноматериалов, микропечати, тонких электронных схем, бумаги с добавлением наночастиц, компактных устройств считывания данных, системы контроля доступа в помещения на основе наносенсоров, например считыватели отпечатков пальца, теплового рисунка вен руки или головы, геометрической формы руки в динамике, биосенсоры, простые или многофункциональные типа «электронный нос» для обнаружения и идентифи-

132

УДК. 621. 0744

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ШИРИНЫ ДВУХФАЗНОЙ ЗОНЫ ЗАТВЕРДЕВАЮЩЕГО МЕТАЛЛА НА ОБРАЗОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ В СТАЛЬНОЙ ОТЛИВКЕ ПОСРЕДСТВОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТЛИВОК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДВИГАТЕЛЕЙ ПЕРСПЕКТИВНОГО ГРАЖДАНСКОГО САМОЛЕТА МС-21

Т.И. Сушко, Т.В. Пашнева, Ю.А. Туленинов, Н.Э. Некрасов

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина”, Воронеж

tat120675@yandex.ru

В работе проводилось изучение влияния (на уровне прогноза) ширины двухфазной зоны затвердевающего металла на образование дефектов в стальной корпусной отливке при литье в песчано-глинистые формы посредством СКМ LVMFlow

Ключевые слова: стальная корпусная отливка, усадочная пористость, затвердевание отливки, усадочные дефекты

В качестве объекта исследования была выбрана отливка «Корпус» (рис. 1) материал изготовления детали – 35ХМЛ ГОСТ 977-88, выпускается в мелкосерийном производстве в филиале ФГУП «ГКНПЦ ИМ. М.В. Хруничева» и имеет массу 260 кг.

Рис. 1. Чертеж отливки

134

Отливку выбрали для исследований в связи с тем, что во время механической обработки проявляется брак в виде усадочной пористости. При добыче и транспортировке нефти и газа арматура трубопроводов испытывает воздействие агрессивных сред, углеводородов, давления и низких температур. В этих условиях к качеству металла должны предъявляться жесткие требования по прочности, герметичности, сопротивлению коррозии. Корпусные детали имеют в своей конструкции сопряжение тонких и толстых стенок и характеризуются высоким уровнем усадочных дефектов, в частности рыхлоты и пористости. Анализ протекания процессов затвердевания корпусной отливки осуществлялся посредством CКМ LVMFlow, [2, 3]. На основе 3D модели отливки с ЛПС создавали конечно-разностную сетку, состоящую из 54100 элементов для отливки с ЛПС и 263149 элементов для литейной формы. После введения из базы данных параметров стали 30 ХМЛ, материал формы (песчано-жидкостекольной смеси), а также температуры заливки, температуры формы перед заливкой, температур ликвидуса и солидуса – получили результат численного моделирования. Исходные данные для численного моделирования приведены в табл. 1.

На рис. 2 приведена модель отливки с ЛПС (конечно-разностная сетка), на рис. 3 – конечно-разностная конструкция формы.

Моделирование процесса затвердевания отливки подтверждает наличие тепловых узлов и визуализирует местоположение усадочных дефектов в отлив-

135

ке. При решении задачи затвердевания в тепловом узле отливки использовали модель образования макропористости [1], предполагающую наличие в интервале затвердевания трех критических точек, соответствующих доле: жидкого металла в начале линейной усадки Kв; при прекращении гравитационного течения Kн, при полном перекрытии междендритных каналов Kн. В программе LVMFlow им соответствуют «порог текучести» и «порог протекания» (рис. 4).

Считается, что гравитационное течение существует до момента достижения металлом характеристической температуры ТL,, после этого, при температуре выливаемости Твыл течение становится затрудненным (характеризуется порогом текучести).

Рис. 4. Критические точки двухфазной зоны

В интервале температур Твыл – Тпит доля жидкого металла существенно уменьшается по фазовому составу, расплав становится твердо-жидким и его способность к течению в двухфазном состоянии недостаточна для заполнения несплошностей в виде пор. Исходя из этого допускается, что в интервале температур Тпит – Тs наиболее вероятным становится образование усадочной пористости.

Было проведено компьютерное моделирование затвердевания металла в двухфазной зоне по двум вариантам – «мягкому» («порог текучести» Kв – 70%, «порог протекания» Kп – 30%) и «жесткому» («порог текучести» Kв – 70%, «порог протекания» Kп – 70%).

Для оценки образования усадочных дефектов были выполнены расчеты с изменением положения критических точек от «мягкого» варианта к «жесткому». Исходные данные для расчетов приведены в табл. 2.

Результаты моделирования представлены на рис. 5. Для выявления размеров и места залегания дефектов анализировали усадку металла. По результатам расчета были построены гистограммы распределения величины усадки в трех точках по оси прибыли (рис. 6). Усадка измерялась в теле отливки, на границе отливка-прибыль и в прибыли.

136

Рис. 5. Результаты моделирования с изменением порога текучести и порога протекания

Рис. 6. Гистограмма распределения усадочных дефектов в отливке

Установлено, что глубина раковины, проникающей в тело отливки, уменьшается при переходе от мягкого варианта к жесткому. Это связано с сужением в двухфазном металле зоны между порогом протекания и порогом текучести до нуля (стремление к плоскому фронту затвердевания), что доказывает образование усадочной раковины макропористости в области жидко-твердого металла и в области твердо-жидкого, при этом увеличивается область вероятного образования микропористости. Она образуется, когда уже сформировался достаточно плотный каркас твердой фазы, т.е. в интервале солидус порог протекания.

137

Переход от мягкого варианта питания к жесткому сопровождается увеличением размера этого интервала. Уменьшение размеров раковины не сопровождается увеличением размеров пористости. По результатам моделирования видно, что данная прибыль работает неэффективно, в подприбыльной части отливки образуются вторичные усадочные раковины.

Производство стальных отливок находит применение в производстве двигателей самолетов. Производство в литейном цехе начинается с изготовления моделей. Из специальной массы прессуются модели для деталей разных размеров и конфигураций с последующей ручной отделкой. Облицовка модельных блоков и получение керамических форм – важная часть технологического процесса литейного цеха. Перед заливкой керамические формы прокаливаются в печах. «На вес золота» – это о лопатке с монокристаллической структурой. Технология производства такой лопатки сложна, но и работает эта дорогая во всех отношениях деталь гораздо дольше. Каждая лопатка «выращивается» с использованием специальной затравки из никеле-вольфрамового сплава. Участок обработки полой широкохордной вентиляторной лопатки. Для производства полых широкохордных вентиляторных лопаток двигателя ПД-14 – движущей установки перспективного гражданского самолёта МС-21 – создан специальный участок, где осуществляется вырезка и механическая обработка заготовок из титановых плит, окончательная механическая обработка замка и профиля пера лопатки, включая его механическую шлифовку и полировку.

Литература

1.Тихомиров М.Д. Основы моделирования литейных процессов. Важные особенности систем моделирования / М.Д. Тихомиров // Литейное производство. – 2004. – № 5. – С. 24-30.

2.Анализ факторов, влияющих на дефект «усадочная пористость», возникающий в стальной корпусной отливке при литье в ПГФ / Т.И. Сушко, А.Е. Щербаков, И.Г. Руднева, Т.В. Пашнева // Физико-математическое моделирование систем: материалы VII Междунар. семинара. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. Ч. 3. С. 162-168.

3.Исследование влияния технологических факторов на образование дефектов в стальной корпусной отливке при ЛВМ посредством CKM LVMFlow / Т.И. Сушко, И.Г. Руднева, Д. А. Сериков, Т.В. Пашнева // Материалы Междунар. науч.-практ. конф. «Science and Education 2014” 5-6 сентября 2014, т. 19 Technical Science, Belgorod-Sheffield, 2014, с.12-17.

AN ANALYSIS OF THE MUSHY ZONE WIDTH OF THE SOLIFIED METAL ON THE FORMATION DEFECTS IN THE CAST STEEL BY MEANS OF COMPUTER SIMULATION. MODELING OF CASTING FOR THE ENGINES OF THE PROSPECTIVE CIVILIAN AIRCRAFT MS-21

T.I. Sushko, T.V. Pashneva, Y.A. Tuleninov, N.A. Necrasov

Military Educational and Scientific Center of the Air Force “N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy”, Voronezh

The work was carried out to study the influence (at the level of the forecast), of the twophase solidifying metal band gap on the formation of defects in the steel hull casting with casting sand and clay molds by SCM LVMFlow

Keywords: stylish cabinet casting, shrinkage porosity, solidification, shrinkage defects

138