X
تبلیغات
دانشجويان مهندسي متالورژي دانشگاه ملاير - computer
کوتاه:

رایانه برای علوم مهنسی و مخصوصا مواد بسیار کاربرد دارد.امروزه اگر یک مهندس مواد با نرم افزار های کاربردی و طراحی این رشته آشنایی نداشته باشد عملا بیسواد محسوب میشود.(و مدرکش وی به هیچ دردی نمیخوره).پس بیاید از قافله عقب نمونید..

مقدمه:

در محیط تجــــاری رقابتی و دائماً در حال تغییر امروز، صنایع و کسب و کارها دیگر نمی توانند بر یک بازار ثابت و پایــدار برای محصولات خود متکی باشند. آنها باید در زمینه های کیفیت، قیمت و خدمات پس از فروش، با رقبایی که روز به روز در حال افزایش هستند، رقابت نمایند. برای موفقیت در بازار آنها نه تنها باید قیمت ها را پایین آورد بلکه باید تغییرات عمدۀ بیشتری را در روش های تولید، روابط تجاری و حتی فرهنگ سازمانی خود به عمل آورند. صنعت ریخته گری نظیر دیگر فرایندهای تولید در طی سالیان گذشته با تحولات بسیاری همراه بوده است. توسعه دانش و پیشرفت های مهندسی و فناوری در این فرایند کهن سبب تولید قطعات صنعتی بیش از دیگر روش های ساخت قطعات شده است.
این تحولات در بخش های مختلف صنعت ریخته گری به وقوع پیوسته که مهمترین آنها، پیدایش مواد نو و پیشرفت ها در زمینه روش های ذوب، تکنیک های قالب گیری، تجهیزات تمیز کاری قطعات ریختگی و عملیات حرارتی بوده است. یکی از مهـم ترین زمینه های توسعه علم و فناوری در ریخته گری، کاربرد کامپیوتر و روش های عددی برای حل مسایل مکانیک سیالات و ترمودینامیک در جریان حرکت مذاب در راهگاه ها و قالب و انجماد مذاب در قطعه است. این توسعه به ویژه موجب گردیده تا طراحان بتوانند از طریق طراحی روش های تولید به وسیله کامپیوتر قبل از اقدام به ساخت مدل و ریختن فلز مذاب در قالب، به مشخصات ساخت و تولید قطعه دست یافته و از قابل تولید بودن قطعه اطمینان حاصل نمایند.

این پیشرفت باعث شده تا طراحان بتوانند قبل از صرف وقت و هزینه های زاید نسبت به اصلاح طرح های خود اقدام نموده و روش های بهینه تولید قطعه ریختگی مورد نظر خود را به دست آورند. نتیجه عملی استفاده از نرم افزارهای کامپیوتری در طراحی فرایندهای تولید، دستیابی سریع به قطعه ای ارزان تر است. امروزه طول زمان ساخت یک محصول از ماه ها و سال ها به روزها و هفته ها کاهش یافته است. این تحول از طریق توسعه فناوری کامپیوتری و پیشرفت در روش های شبیه سازی عددی تحقق یافته است. نوآوری های بسیار در این حوزه موجب گردیده تا مهندسان و طراحان بتوانند محصولاتی را تولید کنند که دارای پیچیدگی های بالاتر و زمینه های کاربردی بیشتر می باشند. تولید محصول با سرعت بالاتر با صرف هزینه های کمتر، تنها با سرمایه گذاری در خرید کامپیوتر و نرم افزار بوده است. در رابطه با کاربرد کامپیوتر در ساخت محصول مزایای زیر را می توان مورد تاکید قرار داد:
بهینه سازی طرح و وزن قطعات، بهبود در کارایی و کیفیت محصول، کاهش زمان ساخت و پذیرش محصول و کاهش هزینه های تولید قطعه. حقیقت آن است که در جهان معاصر قدرت کامپیوترها به تدریج افزایش یافته و در مقابل قیمت آنها کاهش می یابد و از طرف دیگر استفاده از آن برای کاربران آسان تر می شود. از این جهت کاربرد این ابزار در بسیاری از فناوری های ساخت و تولید با جاذبه های بسیاری همراه گشتــه است. بعلاوه نرم افزارها دارای انتخاب های بسیار به همراه بانک های اطلاعاتی قـوی تر شده اند، به گونه ای که محاسبات بسیار پیچیده ریاضی به همراه تحلیل های سخت مهــــندسی را می توان به سهولت و درحداقل زمان ممکن با کامپیوتر انجام داد.


امروزه کاربرد کامپیوتـــر در شبیه سازی بسیار گسترده شده به گونه ای که حتی کارگاه های کوچک در آینده نه چندان دور از این تکنولوژی استفاده خواهند کرد. واقعه ای که حتی آنان در رویاهای خود نیز تحقق آن را باور نمی کردند. یکی از پیچیده ترین صنایع و فرایندهای تولید که دانش بسیاری را در خود جای داده است، ریخته گری است. موضوعات حوزه های دانش و فنــاوری در این صنعت بســـــــــیار متنـــوع است: راهگاه گذاری، تغذیه گذاری، انجماد مذاب در قالب، حرکت فرایندهای تولید به کمک کامپیوتر و ساخت ابزارهای مورد نیاز تولید. به دلیل وجود چنین فرایندهای پیچیده ای در ریخته گری این صنعت در گذشته بیش از آنچه که به حوزه های دانش بشری مرتبط باشد در زمره هنرهای استادکاران و مهندسان قرار داشت. اما امروزه با توسعه کامپیوترهای با حافظه بالا، قوی و سریع به همراه توسعه کدهای بهینه کامپیوتری در حوزه مدلسازی و شبیه سازی فرایندهای تولید، این صنعت در گروه فرایندهای مدرن علوم و فناوری قرار گرفته که دیگر برخلاف گذشته حدس و گمان جای خود را به اطلاعات علمی داده است. مهندسان و تکنولوژیست های عصر ریخته گری مدرن، روزانه موفق به حل بسیاری از مسایل پیچیده مهندسی می گردند، نظیر: بهینه سازی سیستم های راهــــــگاهی و تغذیه گذاری، طراحی برای محصولاتی که به سهولت قابل تولید یا مونــــــتاژ باشند، شبیه سازی فرایندهای تولید بر اساس تغییرات آماری ، آنالیز پارامتریک تولید، آنالیز عمر خستگی قطعه و .... اگرچه در حال حاضر برای دستیابی به نرم افزارهایی که بتوانند دارای حداکثر توانمندی و کارایی بوده و همه نیازهای طراحان، مهندسان و تکنولوژیست های ریخته گری را برآورده سازند کارهای تحقیقاتی دیگری مورد نیاز است، اما امروزه استفاده از کامپیوتر و نرم افزارهای شبیه سازی بهبودهای اساسی در صنعت ریخته گری به وجود آورده است. لذا آشنایی ریخته گران و دانشجویان جوان با این فناوری پیشرفته از اهمیت زیادی برخوردار بوده و بدون تردید همگی آنان دیر یا زود ناگزیر به استفاده از این ابزار پیشرفته خواهند بود.

 

رئوس مطالبی که در ادامه به آنها پرداخته می شود در زیر فهرست شده است:
- طراحی به کمک کامپیوتر
- ساخت به کمک کامپیوتر
- معرفی نرم افزار Pro/Casting و Pro/Moldesign در طراحی قالب و مدل
- طراحی مدلهای ریخته گری در ماسه
- طراحی قالبهای فلزی ریخته گری
- روباتیک
- آنالیز مهندسی به کمک کامپیوتر (CAE)
- شبیه سازی
- تشریح فرایند شبیه سازی
- مدلسازی نحوه حرکت سیال و انجماد
- کاربرد فرایند شبیه سازی ریخته گری در صنعت
- معرفی نرم افزارهای شبیه سازی
- بسته نرم افزاری SUTCAST
- تاریخچه
- قابلیت های نرم افزار SUTCAST
- مثالهایی از کاربرد شبیه سازی در افزایش بهره وری
- مثال اول: تولید رینگ اتومبیل
- مثال دوم: تولید توپی چرخ اتومبیل از جنس چدن
- مثال سوم: طراحی مبرد برای قطعات چدن تبریدی
- مثال چهارم: طراحی یک میل لنگ سنگین
- مثال پنجم: ریخته گری غلتک های تبریدی
- بسته نرم افزاری انجمن ریخته گری آمریکا (AFS)
- بسته نرم افزاری CASTCAE
- بسته نرم افزاری CAPCAST
- بسته نرم افزاری FLOW 3D
- بسته نرم افزاری MAGMASOFT
- بسته نرم افزاری NOVAFLOW & Solid
- بسته نرم افزاری PROCAST
- بسته نرم افزاری ADSTEFAN
- بسته نرم افزاری AnyCasting
- مهندسی متد
- کنترل فرایند
- اندازه گیری ابعادی
- تکنولوژی اطلاعات
- مدلسازی سریع


طراحی به کمک کامپیوتر (CAD)

 

ساخت و تولید به کمک کامپیوتر با پایه گذاری تکنولوژی عددی یا NC شروع شد. آغاز این کار به اواخر سال 1940 برمی گردد، یعنی زمانی که پارسون (John.T.Parson) روش جدیدی را برای کنترل ماشین های ابزار ارائه کرد. بعداً نیروی هوایی آمریکا به این ایده علاقمند شد و کارهای تحقیقاتی بعد را در انیستیتوی تکنولوژی ماساچوست مورد حمایت قرار داد، و بالاخره در سال 1952 اولین نمونه ماشین ابزار NC به منظور ارائه مزایای این تکنولوژی به نمایش گذاشته شد. از این تحقیقات تا طراحی یک زبان برنامه نویسی که بتواند حرکت هندسی ابزار براده برداری را بیان نماید حمایت بسیار جــدی به عمل آمد. بدین ترتیب قدم های اولیه در زمینه CAM برداشته شد. با گسترش معقول تکنولوژی گرافیک کامپیوتر، سخت افزارهای بهتر، حافظه بیشتر، اندازه فیزیکی کوچکتر و از همه مهمتر قیمت کمتر، این روش تولید عمومیت یافت تا جایی که شرکت های کوچک نیز می توانند از این شیوه بهره های فراوانی ببرند. ساخت و تولید با استفاده از شیوه های CAM روشی کاملاً ساده و پذیرفته شده در صنعت امروز می باشد که در آن انتخاب و بهینه کردن مسیر ابــــزار براده برداری با استفاده از کامپیوتر نه تنها مهارت و تخصص قالبساز را تحت الشعاع قرار نمی دهد بلکه در واقع قابلیت تکرار، اعتماد و سرعت حاصل از بکارگیری سیستم های CAM ، راندمان و بهره وری را برای دارندگان بالاترین تخصص های قالب سازی به طور فاحش افزایش می دهد.
عموماً، طــرح های تهیه شده به وسیله CAD، به سیستم های CAM منتقل می شوند. با استفاده از اطلاعات اولیه CAD، نرم افزارهای CAM، ماشین ها و ابزارها را در کارخانه ها کنترل می نمایند، تا محصول همان طور که توســـط CAD طراحی شده تولید شود. سیستم های CAD/CAM نیاز دارند که به بسیاری از برنامه های کامپیوتری و ارتباطی دسترسی داشته باشند. سیستم های CAM، توسط شبکه های ارتباطی و باسرعت زیاد، با ماشین ها و ابزارها، جهت به کارگیری آنها ارتباط برقرار می کنند.
برای تعیین اینکه آیا طرح، بخوبی تحت فشارهای ناشی از کاربرد روزانه کار می کند، مهندسین، معمولاً قطعات را توسط کامپیوتر، شبیه سازی می کنند و آن را بکار می برند (تست نمونه ای). این کاربرد، نقاط ضعف قطعات را قبل از اینکه این قطعات در تولید این شرکت بکار برده شوند مشخص می نماید. نمایش مدل های سه بعدی، به شکل کامل و بدون ابهام بوده، و امــــکان تجزیه و تحلیل لازم را فراهم می آورد. بدین گونه که حتی می توان محل برخورد یا فصل مشترک قطعات مونتـــــــــاژی را بررسی کرد. با کمک نرم افزارهای CAD، مهندسین می توانند فاکتور هایی مانند فشار، اینرسی و وزن را تجزیه و تحلیل نمایند و قادرند در هنگام طراحی، آن را به صورت سه بعدی، همراه با رنگ و سایه، روی صفحه ی مانیتور نمایش دهند.

همان طور که اشاره شد، ساخت به کمک کامپیوتر، اساساً با ظهور ماشین های کنترل عددی مطرح شدند. با استفاده از سیستم های CAM می توان برنامه های کنترل ماشین کاری را با دقت ایجاد نمود و مسیر ابزار بهینه را برای مشخص شدن مراحل ساخت روی صفحه تصویر نشان داد. همچنین با توسعه تکنولوژی روباتیک، نــرم افزارهای CAM نیز می توانند از روباتها در مراحل ساخت قطعات یا ابزارها استفاده نمود. به طور کلی برای ساخت یک محصول با استفاده از تکنولوژی ساخت به کمک کامپیوتر دو راه وجود دارد:
- طراحی اولیه (Original Design)
- مهندسی معکوس (Reverse Engineering)
در روش اول مهندس طراح با استفاده از نرم افزار CAD مدل سه بعدی محصول را ایجاد کرده و در نرم افزارهای CAM کدهای CNC آن را به وجود می آورد. در روش دوم مختصات هندسی محصول مورد نظر با استفاده از CMM از روی مدل واقعی تهیه شده و سپس در نرم افزارهای CAD تغییرات لازم ایجاد شده و برای ساخت به ماشین CNC ارسال می شود.
از نرم افزارهای تجاری موجود می توان از Pro/Engineer ، CATIA ، Power Mill، DelCAM ، Unigraphics ، MasterCAM ، Solid works نام برد.

 

معرفی نرم افزار Pro/Casting و Pro/Moldesign در طراحی قالب و مدل

 

این دو نرم افزار بخش یا ماژولی از مجموعه نرم افزارهای Pro/Engineer می باشند، که به منظور اتوماسیون فعالیت های طراحی و مهندسی به کار می روند. این مجموعه طیف وسیعی از زمینه های متنوع در طراحی و محاسبات را در بر می گیرد؛ به طوری که ابزار کارا و قدرتمندی در طراحی قالب های فلزی و مدل های ریخته گری به شمار می رود. مستنداتی که در آخرین مرحله طراحی قالب ارایه می کند مستقیماً در مراحل ساخت قابل استفاده بوده و نیاز به تحلیل های میانی را بر طرف می نماید. همچنین این نرم افزار با استفاده از مفاهیم مهندسی همزمان قادر است با تغییر داده های ورودی که از بخش طراحی محصول می رسد، طرح قالب را به طور متناسب تغییر دهد. این خاصیت به دلیل ساختار صد در صد پارامتریک این نرم افزار می باشد و مهمترین مزیت آن این است که دو بخش طراحی محصول و طراحی قالب را به یکدیگر نزدیک نموده و به کیفیت مطلوبتری در طراحی و ساخت منجر خواهد شد.

 

نرم افزار Pro/Casting و Pro/Moldesign کلیه مراحل طراحی قالب از طراحی قطعات تا مونتاژ و از محاسبه تا مستند سازی را انجام می

دهد، به طوری که مشخصات قالب به طور اتوماتیک از مدل استخراج شده و طراح را قادر می سازد تا به سرعت بین طراحی قطعات و مونتاژ آنها مانور کند. ویژگی های بارز این نرم افزار به قرار زیر است:
- استخراج طرح قالب با استفاده از تعاریف و نقشه های مهندسی: روابط پارامتریک بین محصول و قالب، باعث می شود تا تغییرات آن همزمان بر روی طرح قالب اثر کند و شاخص های اصلی مدل شامل شیب ها، تکیه گاهها، سیستم های راهگاهی، هواکش و سیستم خنک کننده و سطوح جدایش مورد تجدید قرار گیرد.
- طراحی قالبهای تک حفره ای و چند حفره ای: با استفاده از این نرم افزار می توان قالب های پیچیده که دارای حفره های متعدد با اشکال مختلف باشند را طراحی نمود.
- ارائه و تهیه نقشه های دوبعدی لازم برای ساخت قالب: این نرم افزار قادر به تهیه هرگونه نقشه از نماها و جهات دید مختلف با استفاده از اطلاعات مدل سه بعدی قطعه می باشد.
- تاثیر دادن ضریب انقباض: طرح با استفاده از ضریب مواد و اعمال آنها روی مدل سه بعدی قطعه می تواند تاثیر آن را روی طرح به راحتی مشاهده نماید. همچنین فاکتورهای انقباض برای هر بعد خاص به طور جداگانه قابل تعریف می باشد.
- تجزیه و تحلیل ضخامت های قطعه و امکان سنجی قالبگیری: ابزار کنترل ضخامت در این نرم افزار طراح را قادر می سازد تا از صحت اندازه دیواره ها اطمینان حاصل کند. روش کار از این قرار است که نرم افزار برش هایی از محفظه که دارای کمترین ضخامت هستند تعیین کرده و به کاربر نمایش می دهد.
- تشخیص سطوح جدایش: سطوح جدایش پیچیده و مسطح با استفاده از تکنیک های مختلفی شامل انتقال سطوح، بررسی نحوه اتصال و فصل مشترک سطوح قالب قابل شناسایی است.
- شبیه سازی باز شدن قالب: این نرم افزار کنترل نحوه باز شدن قالب و توالی عملیات آن را در اختیار کاربـــر قرار می دهد. در هر گام حرکت اجزا و قطعات قالب قابل مشاهده بوده و مکانیزم پران محصول به طور کامل ملاحظه می گردد.
- ایجاد مستندات جامع طراحی قالب: کلیه جزئیات طرح شامل اطلاعات مربوط به سطوح و احجام به طور خودکـــار ایجاد می گردد. در مرحله آخر لیست قطعات (BOM) و نقشه های صفحات قالب و Insert و سایر اجزا مجموعه ها تهیه شده و به کاربر ارائه می گردند.

 

طراحی مدلهای ریخته گری در ماسه به کمک Pro/Cast

فرایند طراحی قالب و مدل برای ریخته گری در ماسه به وسیله ماژول Pro/Casting به صورت کلی به شکل زیر می باشد. لازم به ذکر است که نرم افزار برای اجرای تمامی این مراحل ابزار و فرامین خاصی در اختیار کاربر قرار می دهد، که مطابق نمـودار شماره زیر می باشد:
- ایجاد یا فراخوانی مدل سه بعدی کامپیوتری (3D Model) از قطعه مورد نیاز که قالب یا ابزار برای آن قطعه ساخته خواهد شد. از این پس این مدل به عنوان مرجع اصلی در تمام مراحل فرآیند طراحی در نظر گرفته خواهد شد.
- تعیین بهترین جهت برای باز شدن قالب که در آن جهت به کمترین مقدار شیب خروج نیاز خواهیم داشت.
- مشخص نمودن مناطقی که نیاز به شیب خروج از قالب یا شیب اضافه دارند.
- تعیین منحنی خط جدایش
- ایجاد سطح یا سطوح جدایش روی مدل مرجع
- ایجاد شیبها، Round ها و پخهای مورد نیاز در سطوح جدایش
- اعمال انقباض در سه جهت مختصاتی به صورت دلخواه
- پر کردن سوراخها و مناطق ماشینکاری و همچنین افزودن مقادیر اضافه تراش
- طراحی و ایجاد مدل ماهیچه، تکیه گاه و سر ماهیچه و همچنین اعمال لقی های مورد نیاز
- اضافه نمودن سیستم راهگاهی، تغذیه و دیگر اجزای متالورژیکی مورد نیـــــاز در ریخته گری
- استخراج صفحات مدل از مجموعه طراحی شده
- بازبینی های نهایی روی شیب و ضخامت دیواره ها و اجزای دیگر قالب
- ارسال مدل و مجموعه های آماده شده به ماژول CAM جهت ماشینکاری و ایجاد فایلهای حاوی مسیر حرکت ابزار برای ماشینهای CNC

 

چند مثال:

تصاویر زیر چند نمونه مدل ساخته شده به کمک ماژول Pro/Cast طی فرایند ذکر شده در پست قبل را نشان می دهد.

طراحی قالب های فلزی ریخته گری

 

 

در مورد طراحی و ساخت قالب های مورد نیاز در فرایندهای ریخته گری در قالب های فلزی نیز تمامی مراحل ذکر شده برای طراحی مدل در قالب ماسه ای طی می شود، با این تفاوت که چند مرحله بیشتر مانند تعیین پین های بیرون انداز، مکانیزم قالب و پشت بندها نیز باید طی شود.


 


 

 

روباتیک


روبات، یک عامل مکانیکی چند منظوره و قابل برنامه ریزی است، که برای جابجایی مواد، قطعات، ابزارآلات، ادوات و تجهیزات مشخص استفاده می شود. این عامل، در چارچوب حرکت های برنامه ریزی شده و قابل تغییر، برای عمل در محدوده ای از فعالیت ها طراحی می شود. توسعه زبان های برنامه نویسی روبات ها، موجب شده که روبات، قادر به انجام دامنۀ وسیعی از وظایف باشد. برنامه روبات می تواند به طور جداگانه به وسیله کامپیوتر آماده شده و سپس به کنترل کنندۀ روبات منتقل گردد. علاوه بر آن نوعی سیستم های بدون ارتباط مستقیم نیز طراحی شده اند که می توانند با سیستم های CAD/CAM ادغام شوند. نرم افزار این سیستم ها، قابلیت مشابه نمایی داشته و به برنامه نویس روبات اجازه می دهد که پیش از نصب برنامه بر روی کنترل کننده، آن را آزمایش و مشکلات احتمالی را بررسی نماید. کاربرد های علمی و واقعی روبات را می توان در تمامی شاخه های صنعت، به ویژه در بخش های خودرو سازی، مهندسی برق، الکترونیک، مکانیک و مواد مشاهده کرد. مهمترین زمینه های کاربرد روبات در این صنایع عبارت است از : جوش کاری نقـــطه ای، جوش کاری برقی، لعاب کاری، پوشش دهی سطوح مدل های ریخته گری دقیق و اسپری رنگ.
علل نصب روبات ها در صنعت عبارتند از : کاهش هزینه نیروی کار؛ حذف کار نیروی انسانی در قسمت های خطرناک و پرمخاطره؛ ایجاد یک سیستم تولیدی با قابلیت انعطاف بیشتر؛ دستیابی به یک سیستم کنترل کیفیت پایدار؛ افزایش خروجی؛ جبران کمبود نیروی کار. امروزه نسل جدیدی از روبات ها، با حس گرهای پیشرفته، به بازار آمده اند. این روبات ها، هوشمند بوده و توانایی شناخت تغییرات محیط کار و انجام واکنش مناسب را دارند. حس گرهای بصری و لامسه ای، این امکان را ایجاد می کنند که روبات های محدود به عملیات منظم و تکراری، بتوانند در مقابل تغییرات محیط واکنش دهند.
به نظر می رسد که تلاش های تحقیقاتی در حوزۀ روباتیک، در دو جهت در حال حرکت هستند. از یک سو پژوهشگران با توسعه روبات ها به دنبال نمونه ای هستند که بتوانند با استفاده از حس گرهای هوشمند، قابلیت سریع را در محیط کار داشته باشد. از سوی دیگر، تحقیقات به منظور ادغام روبات ها در سیستم های تولیدی انجام می شود. با وجود پیشرفت قابل توجه فناوری روبات در طی ده سال گذشته، روبات ها کم و بیش محدود به کار در محیط های کاملاً ساختاریافته می باشند. نسل فعلی روبات ها، از وســایل قابل برنامه ریزی با امکان حس کنندگی محدود تشکیل شده است. به همین دلیل، آن ها در پاسخگویی به وقایع غیرمترقبه بسیار ناتوان هستند، در واقع ناتوانی روبات ها در برخورد هوشمندانه با محیط، موجب شده است که اغلب آنها، به جز روبات های بسیار پیشرفته، از انعطاف پذیری نسبتاً محدودی برخوردار باشند. به این علت است که روبات ها غالباً در فعالیت های تولیدی ابتدایی، ساده و تکراری به کار برده می شوند. همچنین با وجود اینکه تعدادی از این ماشین های قابل برنامه ریزی، دارای بازوها و انگشــــتان متحرک و سیستم های کامپیوتری بینایی هستند، اما همه آن ها ماشین می باشند؛ بدون هویت و شخصیت.

 


 

آنالیز مهندسی به کمک کامپیوتر (CAE)

 

ایده CAE در سال 1980 توسط دکتر لمون از توسعه دهندگان نرم افزار I-DEAS مطرح شد. با توجه به پیشرفت های اخیر، CAE مفهومی فراتر از آنالیز مهندسی به کمک کامپیوتر یافته و شامل آنالیز طراحی (Design Analysis) و ارزیابی آن با روش FEA (Finite Element Analysis)، طراحی مجدد و بهینه کردن طراحی اولیه و شبیه سازی فرآیند شده است. در واقع این برنامــــه ها، رابط بین نرم افزارهای CAD و CAM محسوب می شوند. نرم افزارهای CAE ابزار قدرتمندی برای طراحی قطعه، طراحی قالب و حتی زمان بهینه سیکل تولید در قالب های جدید هستند. برای مثال در مورد طراحی قالب های دایکاست، می تواند پارامترهای ذیل را در اختیار طراح قرار دهد:
- ابعاد بهینه شده راهگاه های اصلی و فرعی و همچنین محل آنها
- ابعاد و محل مسیرهای خنک کننده قالب و دبی مایع خنک کننده
- ابعاد ماهیچه ها و کشویی ها بر اساس انقباض آلیاژ
- پروفیل سرعت
- حداقل و حداکثر نیروی نگدارنده قالب در حین پرشدن
- تنشهای برشی
در حال حاضر برخی از بسته های نرم افزاری CAE به صورت یکپارچه با نرم افزارهای CAD/CAM ، ارائه می گردند. از نرم افزارهای تجاری موجود می توان از Pro Mechanical ، ANSYS ، MSC Nastran ، NISA ، CATIA نام برد.



 

شبیه سازی

رابرت شانون در کتاب خود (علم و هنر شبیه سازی سیستم ها) شبیه سازی را چنین تعریف می کند: "شبیه سازی طراحی مدلی از سیستم واقعی است، که با هدف پی بردن به رفتار سیستم، و به منظور انجام آزمایش هایی با این مدل و یا ارزیابی استراتژی های عملیاتی سیستم (که به وسیله مجموعه ای از معیارها محدود شده است) صورت می گیرد"
شبیه سازی، تکنیکی کمی است که برای مطالعه و ارزیابی گزینه های گوناگون از آن استفاده می شود. این کار، از طریق مدل سازی سیستم واقعی و اجرای آزمایش ها بر روی مدل، و به منظور پیش بینی رفتار آینده سیستم انجام می پذیرد. اصولاً مدلی کـــارا و ایده آل است که ضمن توجه به جزئیات، از بررسی بخش های غیر ضروری اجتناب ورزد، زیرا تفصیل بیش از حد مدل، زمان مدل سازی و مدت زمان لازم برای هر بار اجرای مدل و در نهایت هزینه اجرای آن را افزایش خواهد داد. شبیه سازی یکی از پرقــدرت ترین و مفید ترین ابزارهای تحلیل عملکرد فرایندها و سیستم های پیچیده است. مدل، ترکیب مناسبی از خصوصیات یک سیستم و اطلاعات مربوط به آن است که به منظور بررسی سیستم مورد استفاده قرار می گیرد. مسلماً هرچه جزئیات بیشتری در مدل گنجانده شود، شباهت زیادتری به سیستم واقعی پیدا نموده و رفتار آن را بهتر نمایش می دهد. وجود جزئیات سبب مشکل تر نمودن مطالعه و رسیدن به نتیجه می گردد . اغلب افـزودن جزئیات بیش از حد به یک مدل باعث کندی روش بررسی شده و کلیات بحث را مخدوش می کند.
بالعکس از قلم انداختن بعضی جزئیات، تجزیه و تحلیل مدل را ساده تر و راه رسیدن به نتیجه را آسان تر و کوتاه تر می نماید، با وجود آنکه نتایج حاصل را از واقعیت ها دورتر و بکارگیری آنها را در سیستم واقعی، کم اثر خواهد ساخت. در مدل سازی معیاری برای قابل قبول بودن شمول جزئیات یک مدل قبل از بکارگیری نتایج وجود ندارد. از مسئولیت های تحلیل گر است که در ساخت مدل و گنجاندن جزئیات سیستم، با توجه به دقت مورد نیاز در نتایج و هزینه های تحلیل مدل، جانب تعادل و اعتبار را رعایت کند. شاید تصور شود که انجام شبیه سازی تنها شامل شناخت سیستم و ساختن مدل کامپیوتری آن می باشد، در صورتی که ساختن مدل بوسیله یک زبان کامپیوتـــری تنها یکی از قدم های لازم در شبیه سازی است. حساسیت شبیه سازی یک سیستم و فرآیند واقعی در آنجاست که باید تا حد ممکن مطمئن بود که مدل معتبر بوده و رفتار سیستم را به خوبی شبیه ســـازی می نماید.


 


 

 

تشریح فرآیند شبیه سازی


فرایند شبیه سازی را می توان با مراحل و الگوریتم زیر تشریح نمود:

1. تدوین مسئله: آلبرت انیشتین معتقد بود تدوین صحیح مسئله ، حتی از حل آن اساسی تر است و "مسئله را می توان به عنوان حالتی از خواست برآورده نشده، تعریف کرد"
2. تعریف سیستم: شامل تعیین جزء سیستم، اشیاء و عوامل داخلی و خارجی محیط سیستم و بالاخره پارامترها و متغیرهای سیستم است و بعد از تعیین دقیق اطلاعات مذکور، مشخصاتی از متغیرهای محیطی سیستم که در ارتباط با اهداف مورد بررسی هستند، تعریف و روابط و قوانین حاکم بین آنها و بین متغیرهای سیستم مشخص یا فرمـــــوله می گردند. آنگاه چگونگی رفتار سیستم مورد بررسی قرار گرفته و جزئیات تغییر وضعیت ها و اثر پیش آمدها در سیستم معین می گردند.
3. آیا می توان از شبیه سازی استفاده کرد؟ با تجزیه و تحلیل روش ها از دیدگاه های مختلف مانند هزینه، دقت و انطباق نتایج و همچنین امکانات در دسترس و دیگر عواملی که برای کاربر مهم تلقی می شود، باید به انتخاب روش صحیح و منطقی برای بررسی سیستم پرداخت. همیشه در نظر داشته باشید که روش های تحلیلی ریاضی هرجا که ممکن باشد، بهترین و دقیق ترین روش ها برای مطالعه سیستم ها و فرایندها می باشند.
4. تدوین مدل: در تدوین مدل رهنمودهای زیر پیشنهاد گردیده است:

1. سیستم مورد سؤال را به مسائل ساده تر تقسیم کنید.
2. بیان روشنی از اهدا ف ارایه دهید.
3. شباهت ها را جستجو کنید.
4. یک مثال عددی مشخص از مسئله را در نظر بگیرید.
5. چند نماد از متغیرها فراهم کنید.
6. بدیهیات را مشخص کنید.
7. اگر مدل قابل کنترل و همگرا بود آن را توسعه دهید، در غیر این صورت آن را ساده کنید. ساده سازی را می توان با روش های زیر انجام داد، در حالی که درست عکس موارد زیر برای غنی سازی مدل صورت می پذیرد:
• تبدیل متغیرها به مقادیری ثابت
• حذف یا ترکیب متغیرها
• خطی فرض کردن روابط
• افزودن فرضها و محدودیت های مؤثرتر
• محدود کردن سیستم

یکی از عواملی که سرعت و جهت تکاملی مدلسازی به آن بستگی دارد، رابطة بین سازندة مدل و استفاده کنندة آن است. با همکاری نزدیک در فرایند تکاملی، سازنده مدل و
استفاده کننده آن می توانند محیطی از اعتماد و تفاهم متقابل به وجود آورند که به کمک آن، متناسب بودن نتیجة نهایی با اهداف ، مقاصد ومعیارهای مورد نظر تأمین شود.
معیارهایی که هر مدل خوب شبیه سازی باید به آنها نزدیک گردد عبارت است از:

• تامین کامل اهداف و مقاصد استفاده کننده مدل.
• جامعیت مدل و در مورد موضوعات مهم، کامل بودن مدل.
• مانع بودن مدل و اینکه هرگز مدل جواب های بی معنی ندهد.
• راحتی کنترل و کارکرد مدل و ارتباط آسان با مدل.
• آسانی اصلاح یا به هنگام کردن مدل.
• تکاملی بودن مدل به طوری که از ساده شروع و سپس پیچیده گردد.

 

5. تدارک داده ها: هر مطالعه ای مستلزم جمع آوری داده هاست و جمع آوری داده ها را نباید تنها به مفهوم جمع آوری اعداد تعبیر کرد تحلیل گر سیستم باید داده های مربوط به ورودی ها و خروجی های سیستم و نیز اطلاعات مربوط به اجزاء مختلف سیستم را کاملاً در اختیار داشته باشد.
6. برگردان مدل: مدل های شبیه سازی از لحاظ منطقی معمولاً بسیار پیچیده بوده، دارای فعل و انفعالات متقابل بسیاری در بین عناصر سیستم اند، که اکثر این فعل و انفعالات در حین برنامه به طور پویا ( دینامیک ) تغییر می کنند. در این مرحله مدلی که بدین طریق از سیستم تهیه شده، باید برای کامپیوتر توصیف شود.
7. تعیین اعتبار: این مرحله از مهم ترین و معمولاً مشکل ترین مراحل شبیه سازی است. تعیین اعتبار فرآیند، اطمینان دادن به استفاده کنندة مدل، تا آن سطح است که بپذیرد هرگونه استنباط حاصل از شبیه سازی دربارة سیستم، صحیح است و پاسخ دادن به سؤالِ "آیا مدل ساخته شده رفتار سیستم واقعی را به درستی شبیه سازی می کند یا خیر؟"
8. برنامه ریزی استراتژیک و تاکتیکی: به طور کلی برنامه استراتژیک یعنی طرح آزمایشی که اطلاعات مطلوب از آن حاصل شود و برنامه ریزی تاکتیکی یعنی تعیین هر یک از آزمون های مشخص شده درطرح آزمایش، به منظور دستیابی به نتایج آزمون.
9. آزمایش کردن و تفسیر ( تحلیل حساسیت) : تعیین حساسیت جواب های نهایی نسبت به مقادیر پارامترهای به کار رفته است.
10. پیاده سازی و مستندسازی : پیاده سازی و مستند سازی آخرین مرحله ای است که باید در هر پروژه شبیه سازی موجود باشد. نمی توان پروژه شبیه سازی را با موفقیت پایان یافته تلقی کرد، مگر آنکه پذیرفته شده، تفهــیم شود و مورد استفاده قرار بگیرد. در بررسی ها مشخص شده است که به طور متوسط از کل زمان ایجاد و توسعه یک مدل، %25 برای تدوین مسئله، 25 % برای جمع آوری و تحلیل داده های گذشته، 40 % برای ایجاد و توسعه یک مدل کامپیوتری و 10 % برای پیاده سازی صرف شده است. « بنابراین تعجب آور نیست که مستند سازی دقیق و کامل از چگونگی ایجاد و توسعه و نحوه عمل مدل می تواند عمر مفید و شانس پیاده سازی موفق آن را، بسیار افزایش دهد.
هدف از شبیه سازی فرآیندهای صنعتی، مدلسازی بر اساس مفاهیم و قوانین فیزیکی بوده تا بتوان پارامترهای موثر بر آنها را شناسایی و کنترل نمود. در شبیه سازی با اعمال تغییرات مناسب بر روی این پارامترها می توان فرآیند را بهینه ساخت. در فرآینــــد ریخته گری چنانچه نحوه حرکت سیال در سیستم راهگاهی و قالب به همراه تغییرات انتقال حرارت و انجماد فلز به درستی و دقت مدلسازی گردد، می توان مشکلاتی که در طراحی یا فرآیند وجود دارد را پیش بینی نمود و با اعمال تغییرات مناسب در سیستم راهگاهی و تغذیه گذاری آن را اصلاح نمود. در صورت استفاده از نتایج شبیه سازی زمان مورد نیاز جهت تولید به حداقل رسیده و از صرف هزینه های بالا اجتناب خواهد شد.
به طور کلی روش های شبیه سازی کامپیوتری را می توان به سه دسته تقسیم کرد:
- برنامه های تجربی مبتنی بر نتایج حاصل از تجربه و تئوری های فیزیکی
- برنامه های مبتنی بر اصول فیزیکی که بر پایه روابط پیچیده ریاضی و خواص ترموفیزیکی بنا شده بود.
برنامه های تجربی و شبه تجربی جهت مدلسازی فرآیندهای فیزیکی، از نتایج تجربی بدست آمده و قوانین و روابط جبری ساده مبتنی بر آنها استفاده می کنند. در این روش فرآیند به اجزا ساده تر تقسیم شده و از حل این مسائل کوچکتر و جمع بندی آنها، مسئله اولیه حل می شود. در حالیکه در روش های مبتنی بر اصول فیزیکی، معادلات ریاضی پیچیده به همراه متغیرهای مربوط به خواص فیزیکی مواد، حاکم بر مسئله بوده و با حل معادلات فوق از طریق روش های حل عددی مانند روش اختلاف محدود و یا اجزا محدود به تحلیل فرآیند پرداخته می شود.

 


 

مدلسازی نحوه حرکت سیال و انجماد


از اهداف کلی مدلسازی نحوه انجماد و حرکت سیال در فرآیند ریخته گری می توان به طور خلاصه به موارد زیر اشاره کرد:
- پیش بینی نحوه تاثیر طراحی سیستم راهگاهی و تغذیه گذاری بر سلامت قطعه
- پیش بینی نحوه سرد شدن قطعه در حین پرشدن محفظه قالب و پس از آن، به منظور دستیابی به آنالیز دقیق تری از نحوه انجماد
- پیش بینی محل تشکیل ریزمکهای انقباضی و حفره های ماکروسکوپی
- پیش بینی عیوب ناشی از طراحی سیستم راهگاهی
- پیش بینی زمان انجماد
- پیش بینی خواص مکانیکی
- پیش بینی تنش های پسماند ناشی از سرد شدن در قالب
- پیش بینی ساختار میکروسکوپی

نحوه حرکت سیال با استفاده از الگوریتم های مبتنی بر اصول فیزیکی، مدلســـــازی می شود. با استفاده از حل توام معادلات پیوستگی، انرژی، بقاء مومنتوم و مدل های توربولانسی می توان نحوه حرکت سیال را با دقت بالا شبیه سازی کرد. این معادلات قادر به محاسبه کلیه مشخصه های مربوط به سیال مانند ویسکوزیته، عدد رینولدز، سطح آزاد و اصطکاک در کلیه امتدادها می باشند.
نحوه انجماد قطعه با استفاده از هر دو روش تجربی و مبتنی بر اصول فیزیکی قابل حل می باشد. اختلاف این دو روش و مزایا و معایب هر یک را می توان به شرح زیر بررسی کرد:
برنامه های تجربی تنها در مدلسازی فرآیندهای ساده و تکرار پذیر که در آنها پارامترها به آرامی تغییر می کنند، قابل استفاده هستند. در حالیکه در این روش فاصله مذاب رسانی (در مورد ریخته گری فولاد کم کربن در ماسه تر) با دقت بالا قابل محـــــاسبه است، پیش بینی عیوب معمولاً با خطا همراه می باشد. برنامه های شبه تجربی به طور موثر قادر به شبیه سازی فرآیندهای ریخته گری نسبتاً ساده می باشند. از شاخصه های چنین فرآیندهایی می توان به محدود بودن متغیرها، مشخص بودن محدوده های تغییر و ساده بودن فیزیک مسئله اشاره کرد. انجماد در قطعات ساده فولادی نموه ای از فرآیند فوق می باشد.
فرآیندهای پیچیده تر توسط معادلات مبتنی بر اصول فیزیکی قابل مدلسازی هستند. در چنین روشی فرآیند فیزیکی مدل شده می تواند کاملاً پیچیده بوده و متغیرهای وابسته به آن تغییرات عمده ای داشته باشند. فرآیندهای نوین با استفاده از روش فوق قابل مدلسازی خواهند بود. این روش جهت پیش بینی نحوه انجماد قطعات با هر نوع آلیاژی کاربرد دارد. در برنامه های مبتنی بر اصول فیزیکی انجماد معمولاً از معادلات انتقال حرارت فوریه که به صورت سه بعدی تعریف شده اند، استفاده می شود.
با در نظر گرفتن خواص ترموفیزیکی مواد، معادلات هدایت با شرایط مرزی مختلف نظیر جابجایی و تشعشع تعریف شده و حل می شوند. این معادلات در طول زمان به ازاء هر گام زمانی حل شده و نحوه توزیع حرارت در هر نقطه دلخواه و در هر زمان قابل دستیابی است. با تحلیل جواب های حاصل می توان زمان انجماد قطعه، عیوب انقباضی، چگونگی تاثیر تغذیه و توزیع تنش های پسماند حرارتی را پیش بینی نمود.

 

 


 

 

کاربرد فرآیند شبیه سازی ریخته گری در صنعت


این گونه نرم افزارها قادرند فرآیندهای مختلف ریخته گری نظیر ریخته گری ثقلی در قالب های فلزی، ماسه ای، ریخته گری فشار پائین و یا دایکاست را شبیه ســـازی نمایند. این گونه برنامه ها معمولاً دارای دو قسمت اصلی محاسباتیِ "حرکت ســــــیال" و "انتقــــال حرارت" هستند. سایر برنامه ها به صورت زیر مجموعه های انتخابی نظیر ریخته گری در قالب های عمودی (دیزاماتیک)، دایکاست و یا توزیع تنش های پس ماند قابل افزودن به برنامه های اصلی هستند. مدلسازی ریز ساختار نیز از زیر مجموعه های جدیدی است که در برخی از بسته های نرم افزاری ارائه شده است.
در کشورهای پیشرفته استفاده روزانه از برنامه های شبیه سازی کامپیوتری در دستور کار هر کارخانه ریخته گری پیشرفته قرار دارد. مهندسین طراح به منظور بهینه سازی تولید ممکن است از تمامی روش های شبیه سازی در سطوح مختلف به صورت همزمان استفاده کنند. به طور مثال یک برنامه مبتنی بر تجربه جهت پیش بینی اولیه و سریع روش تولید، قابل استفاده است. برنامه های شبه تجربی در کنترل سریع و افزایش بازده تقریبی طرح اولیه موثر بوده و نهایتاً برنامه های مبتنی بر اصول فیزیکی جهت بررسی دقیق نحوه پرشدن و انجماد با استفاده از تولید اطلاعات دقیق و کامل مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین روش فوق جهت استفاده در تکنولوژی قطعات پیچیده و یا بررسی فرآیندهای جدید بسیار سودمند است. به طور کلی هدف از به کارگیری شبیه سازی کامپیوتری در تولید قطعات ریختگی، کاهش خطاهای تولید و ضایعات حاصل از آن است؛ علاوه بر آن افزایش راندمان تولید، تعیین بهینه محل و ابعاد تغذیه، طراحی صحیح سیستم راهگاهی و انتخاب خط جدایش مناسب از جمله نتایجی است که موجب کاهش محسوس هزینه های تولید خواهد شد.
از نرم افزارهای تجاری موجود می توان از PROCAST ، MAGMASOFT ، CASTCAE ، FLOW 3D ، PAM-CAST ، SUTCAST نام برد.

 


 

معرفی نرم افزارهای شبیه سازی

 

بسته نرم افزاری SUTCAST

تاریخچه

در سال 1358 طرحی جهت ایجاد یک مجموعه نرم افزاری تهیه شد که بر اساس آن گروهی متشکل از جامعه ریخته گران ایران، وزارت صنایع، دانشگاهها و صنایع ریخته گران ایران در طراحی و تولید نرم افزار شبیه سازی ریخته گری همکاری می نمودند. این طرح بنا به دلایلی اجرا نگردید تا اینکه در سال 1363 هسته اولیه ایجاد مجموعه نرم افزاری متشکل از دانشجویان مهندسی کامپیوتر، مکانیک و متالورژی در دانشگاه صنعتی شریف تشکیل شد. در آغاز، بخش آکادمیک ِمطالعات در دانشگاه صنعتی شریف و بخش های توسعه ای و تجربه های صنعتی ( به همراه حمایتهای مالی) توسط مرکز پژوهش متالـــورژی رازی انجام می شد. روند توسعه نرم افزار در سال های بعد به گونه ای تغییر یافت که در کنار دانشجویان دانشکده های مهندسی دانشگاه های کشور، گروه بزرگ و پویایی در زمینه های ریاضیات، مهندسی مکانیک، مهندسی متالورژی و مهندسی کامپیوتر در مرکز پژوهش متالورژی رازی تشکیل گردید و توسعه فعالیت های شبیه سازی شتاب زیادی یافت.
این نکته که در صورت داشتن الگوی انجماد قطعات، امکان پیش بینی عیوب قطعات ریختگی وجود دارد و نیز می توان ارتباطی میان سرعت انجماد، خواص و ساختار قطعات برقرار نمود، نقطه آغازین حرکتی شد که امروز پس از گذشت سی سال از طرح ایده، ساختاری منسجم و در قالب نرم افزار SUTCAST در سطح جهان عرضه می شود. اما نیروی محرکه این جنبش نرم افزاری، یک باور است : اینکه تفاوت توانمندی کشورهای پیشرفته با ایران را نباید در سخت افزار جستجو نمود، بلکه این تجربیات آنها در فرآیندهای طراحی و تولید است که آنها را از ما متمایز می سازد.

اولین کاربردهای شبیه سازی در صنایع ریخته گری ایران از سال 1365 آغاز شد و در حال حاضر بسیاری در دانشگاه های کشور، واحدهای ریخته گری و صنایع خودروسازی از این نرم افزار استفاده می نمایند. در حال حاضر این نرم افزار در برخی از واحـــدهای ریخته گری در کشورهای کانادا، چین، فیلیپین، آفریقای جنوبی و ... نیز مورد استفاده قرار می گیرد. از آنجایی که ایده توسعه نرم افزار و بخشی از فعالیت های آکادمیک آن در دانشگاه صنعتی شریف شکل گرفت، نام نرم افزار SUTCAST نام کوتاه شده دانشگاه صنعتی شریف انتخاب گردید.

 

بسته نرم افزاری SUTCAST
تاریخچه

در سال 1358 طرحی جهت ایجاد یک مجموعه نرم افزاری تهیه شد که بر اساس آن گروهی متشکل از جامعه ریخته گران ایران، وزارت صنایع، دانشگاهها و صنایع ریخته گران ایران در طراحی و تولید نرم افزار شبیه سازی ریخته گری همکاری می نمودند. این طرح بنا به دلایلی اجرا نگردید تا اینکه در سال 1363 هسته اولیه ایجاد مجموعه نرم افزاری متشکل از دانشجویان مهندسی کامپیوتر، مکانیک و متالورژی در دانشگاه صنعتی شریف تشکیل شد. در آغاز، بخش آکادمیک ِمطالعات در دانشگاه صنعتی شریف و بخش های توسعه ای و تجربه های صنعتی ( به همراه حمایتهای مالی) توسط مرکز پژوهش متالـــورژی رازی انجام می شد. روند توسعه نرم افزار در سال های بعد به گونه ای تغییر یافت که در کنار دانشجویان دانشکده های مهندسی دانشگاه های کشور، گروه بزرگ و پویایی در زمینه های ریاضیات، مهندسی مکانیک، مهندسی متالورژی و مهندسی کامپیوتر در مرکز پژوهش متالورژی رازی تشکیل گردید و توسعه فعالیت های شبیه سازی شتاب زیادی یافت.
این نکته که در صورت داشتن الگوی انجماد قطعات، امکان پیش بینی عیوب قطعات ریختگی وجود دارد و نیز می توان ارتباطی میان سرعت انجماد، خواص و ساختار قطعات برقرار نمود، نقطه آغازین حرکتی شد که امروز پس از گذشت سی سال از طرح ایده، ساختاری منسجم و در قالب نرم افزار SUTCAST در سطح جهان عرضه می شود. اما نیروی محرکه این جنبش نرم افزاری، یک باور است : اینکه تفاوت توانمندی کشورهای پیشرفته با ایران را نباید در سخت افزار جستجو نمود، بلکه این تجربیات آنها در فرآیندهای طراحی و تولید است که آنها را از ما متمایز می سازد.
اولین کاربردهای شبیه سازی در صنایع ریخته گری ایران از سال 1365 آغاز شد و در حال حاضر بسیاری در دانشگاه های کشور، واحدهای ریخته گری و صنایع خودروسازی از این نرم افزار استفاده می نمایند. در حال حاضر این نرم افزار در برخی از واحـــدهای ریخته گری در کشورهای کانادا، چین، فیلیپین، آفریقای جنوبی و ... نیز مورد استفاده قرار می گیرد. از آنجایی که ایده توسعه نرم افزار و بخشی از فعالیت های آکادمیک آن در دانشگاه صنعتی شریف شکل گرفت، نام نرم افزار SUTCAST نام کوتاه شده دانشگاه صنعتی شریف انتخاب گردید.

 

 

 


 

 

 

قابلیت های نرم افزار SUTCAST

 

 

 

1. شبیه سازی انجماد فلزات
2. شبیه سازی حرکت مذاب در سیستم راهگاهی و قالب
3. شبیه سازی ساختار قطعات ریخته گری
4. شبیه سازی خواص مکانیکی
5. پیش بینی عیوب در قطعات ریختگی
6. بهینه سازی خواص فرایندهای ریخته گری
7. شبیه سازی نحوه حرکت مذاب در جهت جلوگیری از ورود آنها به محفظه قالب

 

جدیدترین نسخه این نرم افزار، نسخه SUTCAST Release 8.0 می باشد. نسـخه جدید نرم افزار SUTCAST در مقایسه با نسخه 7 نرم افزار از قابلیت های بسیار بیشتری برخوردار است و از این رو، نرم افزاری کاملا متفاوت محسوب می شود. از مهمترین ویژگی های این نرم افزارمی توان به موارد زیر اشاره کرد:
- شبیه سازی حرکت سیال: حرکت سیال در نسخه جدید برنامه به طور کامل مــــدل می شود. فشار هوا، اصطکاک دیواره ها، تلاطم جریان، ردیابی ذرات جامد در مذاب، اثر هواکش ها و اثر ***** و حل همزمان معادلات و انجماد حرکت سیال از جمله ویژگی هایی هستند که در برنامه مدل می شوند.
- افزایش سرعت برنامه: به دلیل بازنگری در الگوریتم های محاسباتی قبلی و نیز ابداع روش های نوین محاسباتی، سرعت حل معادلات و دستیابی به نتایج چندین برابر شده است.
- استقلال برنامه از محیط اتوکد: نسخه 8 نرم افزار توانایی استفاده از خروجی کلــــیه نرم افزارهای CAD/CAM (که قادر به ساخت فایل های STL باشند) را دارا می باشد. این فایل ها به راحتی توسط برنامه خوانده شده و در محیط گرافیکی برنامه نمایــــش داده می شوند.
- یکپارچه سازی محیط برنامه: در ویرایش جدید برنامه محیط یکسان با قابلیت های بالا و کاربری ساده جهت اجرای کلیه بخش های برنامه طراحی شده است.
- مش بندی پیشرفته: مش بندی قطعات با استفاده از الگوریتم پیشرفته ای که توسط گروه SUTCAST طراحی شده است انجام می گیرد. این الگوریتم قادر به مش بندی کلیه اجزاء بطور همزمان و نامحدود در کوتاهترین زمان ممکن (بدون نیــــاز به Merge اجزا) می باشد.
- پیش نمایش کامل سیستم: قسمت پیش نمایش نیز قادر است که کلیه اجزاء سیستم (قطعه، قالب، اگزوترم، مبرد و غیره) را به صورت سه بعدی نمایش دهد. در این قسمت کاربران می توانند به سادگی قطعات را از زوایای مختلف و در بزرگنمایی دلخواه مورد بازبینی قرار دهند و یا مقاطع مختلف قطعه را بررسی نمایند.
- افزایش دقت: بهبود الگوریتم های مورد استفاده در اندازه گیری و تعیین محل انقباض (Macro & Microshrinkage) سبب افزایش دقت برنامه در پیش بینی محل عیوب انقباضی شده است.
- خواص متغیر: استفاده از توابع وابسته به دما در محاسبات سبب افزایش دقت و واقعی تر شدن جواب ها شده است.
- راهنمای برنامه: نسخه 8 نرم افزار، راهنما (HELP) کاملی سود می برد که در تمامی مراحل فرآیند اطلاعات کافی را در اختیار کاربر قرار می دهد.
- راهنمای استفاده از نرم افزار: یک مجموعه 4 جلدی کلیه جزییات مربوط به نرم افزار را تشریح می کند. در این مجموعه همچنین مثال هایی از قطعات مختلف آورده شده اند و فرآیند شبیه سازی آنها مرحله به مرحله شرح داده می شود.

 


 


 

 

 

مثال هایی از کاربرد شبیه سازی در افزایش بهره وری

مثال اول: تولید رینگ اتومبیل


چرخ خودرو به عنوان یک قطعه حساس و پر کاربرد، جایگاه ویــــژه ای در صنعت ریخته گری دارد. امروزه شرکت های متعددی در زمینه طراحی و تولید قطعـات فعالیت می نمایند؛ اما فقط تعداد کمی از این شرکت ها توانسته اند به کمک شبیه ســـازی به بهره وری بالایی در این فرایند دست یابند. در ادامه نکات مهم در طراحی رینگ خودرو مورد اشاره قرار می گیرند. طراحی اولیه سیستم ریخته گری که توسط شرکت قطعه ساز انجام شده است.

بنابراین به منظور کاهش زمان انجماد و حذف حفره های انقباضی، طراحی قالب بر اساس موارد زیر تغییر داده می شود:
1. شیب دادن سطوح جهت بهبود انجماد جهت دار
2. استفاده از مبرد مسی همراه با آبگرد
3. تنظیم توزیع دما در اجزاء مختلف قالب
4. کنترل انتقال حرارت قالب از طریق اعمال پوشش با ضخامت مناسب

به منظور حل این مشکل دمای بارریزی از 720 درجه سانتیگراد به 750 درجه سانتیگراد افزایش یافت و قالب نیز تا 300 درجه پیشگرم شد. نتایج نشان می دهند که با اعمال این تغییرات، مذاب قادر است که به طور کامل حفره قالب را پر کند. در نتیجه محصولی سالم و بدون عیب حاصل می شود. در نهایت و با انجام تغییرات فوق الذکر، علاوه بر تولید قطعه سالم، سرعت تولید به میزان حدود 2.5 برابر افزایش می یابد.

 

 

 

مثال دوم: تولید توپی چرخ اتومبیل از جنس چدن

روش های تغذیه گذاری در چدن ها به مراتب پیچیده تر از انواع فولادها و فلزات و آلیاژهای غیر آهنی نظیر آلومینیوم و مس است. این پیچیدگی از آنجا ناشی می شود که فولادها و فلزات غیرآهنی در مراحل مختلف سرد شدن در حالت مذاب و انجماد قطعه همواره در حال انقباض بوده در حالی که چدن ها در کنار این پدیده، یعنی انقباض مذاب و قطعه، در مرحله ای که مصادف با آزاد شدن گرافیت است، منبسط نیز می شوند .

این حالات انقباض و انبساط در چدن ها انجماد و تغذیه گذاری آنها را بسیار پیچیـده می سازد. در پنج دهه گذشته روش های تغذیه گذاری چدن های خاکستری و نشکن توسعه زیادی یافته و در سالهای آخر قرن بیستم روش های محاسباتی بیشتر متمایل به روش های پیشنهادی دکتر Karsy از شرکت تیتانیوم کانادا و جامعه ریخته گران آمریکا بوده است.

امروزه این روشها در بخش های مهندسی متد و کارخانجات ریخته گری ایران مورد استفاده قرار می گیرد. در حدود سال 1373 طراحی یک توپی چرخ اتومبیل توسط یک شرکت ریخته گری ایرانی از چدن نشکن به این مرکز واگذار گردید. بر اساس محاسبات طول مذاب رسانی، برای این قطعه 4 تغذیه در نظر گرفته شد و قطعه به سلامت تولید گردید. اما در جریان تولید انبوه قطعه متوجه این نکته شدیم که دو تغذیه همواره غیر فعال بوده و تعجب آور آنکه این دو تغــــــذیه با دو تغذیه دیـگر در ذوب های مختلف تغییر می کرد.

دو سال بعد در طراحی قطعه مشابه برای شرکتی دیگر بر اساس تجربه های کسب شده قبلی فقط قطعه با دو تغذیه طراحی و به سلامت تولید گردید . در ادامه مطالعات مرکز در زمینه شبیه سازی و طرح تغذیه گذاری به کمک کانتورهای انجماد در طراحی قطعه ای دیگر برای یک واحد دیگر ریخته گری چند سال بعد مشخص گردید که با در نظر گرفتن فقط یک تغذیه و داشتن یک کانتور انجماد باز می توان این قطعه را حتی با تغذیه مخروطی و کوچک تر طراحی نمود . این قطعه نیز به سلامت تولید گردید. نتیجه آنکه:

- روشهای محاسباتی تغذیه گذاری چدن های نشکن که در حال حاضر در جهان مورد استفاده قرار می گیرند به ویژه بخش مربوط به طول مذاب رسانی تغذیه می تواند مورد سئوال قرار گرفته و تجدید نظر اساسی در توسعه آنها لازم است.
- در عصر حاضر روش های محاسباتی سنتی جای خود را به معیارهای علمی نظیر شبیه سازی های کامپیوتری با جاذبه های تکنیکی و اقتصادی داده است.

 

مثال سوم: طراحی مبرد برای قطعات چدن تبریدی

در تولید قطعات چدن تبریدی کنترل عمق منطقه تبریدی عامل تعیین کننده خواص متالورژیکی قطعاتی نظیر میل بادامک، غلطک های نورد و استکان تایپت می باشد. برای دستیابی به خواص متالورژیکی لازم کنترل عمق منطقه تبریدی و ساختار میکروسکپی بر مبنای استفاده از مبرد در داخل قالب صورت می گیرد . تا با افزایش سرعت انجماد موضعی در بخش های نزدیک مبرد، ساختار چدن سفید مورد نظر به دست آید. با توجه به آنکه عمق منطقه سفید شده تاثیر بسزایی بر کارکرد قطعه داشته و عامل اصلی کنترل کننده آن تعیین ضخامت و ابعاد مبرد می باشد و از آنجا که انجماد چدنها بر مبنای سیستم تعادلی پایدار و یا سیستم تعادلی ناپایدار صورت می گیرد . لذا آگاهی از نحوه انجماد قطعه در مناطق نزدیک به مبرد عامل تعیین کننده در دستیابی به خواص مورد نظر می باشد . در صورتی که بتوان منحنی های سرد شدن در حین انجماد را مشخص نمود با توجه به ترکیب شیمیایی مذاب و تاثیر آن بر درجه حرارت یوتکتیک سیستم پایدار و ناپایدار می توان ساختار میکروسکپی را پیش بینی کرد . استفاده از شبیه سازی انجماد و رسم منحنی های سرد شدن قطعه در نقاط مختلف آن به همراه اطلاعات مربوط به دیاگرام تعادلی و غیر تعادلی انجماد چدنها کمک موثری است که می تواند نحوه انجـــماد در بخش های مختلف قطعه را مشخص نموده لذا از عمق تبریدی ایجاد شده اطمینان حاصل گردد . غلتک چدنی نورد پروفیل مثال مناسبی می باشد .

 

در نقاط 1 تا 6 منحنی های سرد شدن قطعه رسم شده که در نمودار زیر نشان داده شده است همان گونه که دیده می شود منحنی های سرد شدن در نقاط 1 و 2 و 3 نشان دهنده انجماد در زیر دمای یوتکتیک نا پایدار بوده و لذا فاز سمنتیت و نهایتا ساختار چدن تبریدی ایجاد خواهد شد . منحنی های سرد کردن در نقاط 4 و 5 و 6 نشان دهنده انجماد در محدوده دمایی پیدایش گرافیت بوده و لذا ساختار نهایی چدن با گرافیت آزاد خواهد بود. با تغییر ابعاد مبرد و یا جنس آن و رسم منحنی های سرد کردن از طریق شبیه سازی انجماد و بررسی نحوه انجماد چدن می توان به ابعاد بهینه مبرد برای دستیابی به عمق تبریدی مناسب دست یافت.

 


 

مثال چهارم: طراحی یک میل لنگ سنگین

میل لنگ های ریختگی از جنس چدن نشکن کاربردهای عمده ای در صنایع دارند . سالیان متمادی است که میل لنگ های سبک ( نظیر میل لنگ خودروهای سواری ) از جنس چدن با گرافیت کروی و انواع روش های نشکن سازی تولید می شوند . در موتورهای زمینی وزن و ضخامت میل لنگ بالاتر بوده و تولید قطعه از جنس چدن نشکن با دارا بودن خواص مکانیکی مطلوب، نیازمند کنترل دقیق تر فرایند ریخته گری آن است . میل لنگ کمپرسور از جنس چدن نشکن GGG-70 و با وزن حدود 120 کیلوگرم و قطر یاتاقان 120 میلی متر و با استفاده از روش In-Mold برای نشکن سازی و استفاده از نــــرم افزار شبیه سازی SUTCAST جهت بررسی نحوه پر شدن قالب و انجماد قطعه در مقیاس صنعتی تولید گردید . شکل قطعه و ابعاد تقریبی آن در شکل زیر نشان داده شده است . با توجه به ضخامت های متفاوت قطعه در محل یاتاقان های ثابت و متحرک ومحل اتصال لنگ ها به یاتاقان ها قطعه از نظر نحوه پر شدن و انجماد آن ویژگی های خاصی را دارا بوده و با توجه به کاربرد قطعه می بایست حداقل استحکام کششی N/mm2 750 و ازدیاد طول نسبی حداقل 5% را دارا باشد.

 

بر این مبنا روش In-Mold برای تولید قطعه انتخاب گردید تا با افزایش تعـــــداد گرافیت های کروی در واحد سطح و افزایش سل های یوتکتیکی جدایش در قطعه به حداقل رسیده و خواص مکانیکی مطلوب حاصل گردد . طراحی سیستم راهگاهی و نحوه پر شدن قطعه نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است زیرا به دلیل وزن بالاو طول زیاد قطعه دستیابی به انجماد یکسان در قسمت های مختلف قطعه به طراحی صحیح سیستم راهگاهی و توزیع یکنواخت دما در حین پر شدن و انجماد بستگی دارد .
در مرحله اول از دو تغذیه گرم کناری و یک تغذیه رویی استفاده شد که نتـــــایج شبیه سازی نشان دهنده عملکرد صحیح تغذیه ها و ایجاد شیب حرارتی مناسب و تولید قطعه سالم می باشد. بر مبنای این طراحی نمونه اولیه ریخته شده و نتایج تست اولتراسونیک قطعه بیانگر عدم وجود حفره و مک در قطعه می باشد . هر چند نتایج آزمون کشش بر روی Y بلوک های داخل قالب حداقل خواص مکــــــانیکی موردنظر را تامین می کرد، معهذا به دلیل تمرکز حرارتی در محل اتصال تغذیه های کناری به قطعه تعداد گرافیت های کروی کمتر و غیر یکنواختی ساختار زمینه در قطعه مشاهده شد علاوه بر آن بهره ریختگی نیز پایین بود . طراحی بهینه قطعه در شکل زیر نشان داده شده است. در این طرح با حذف تغذیه های کناری و استفاده از مبرد در قسمت های ضــــخیم قطعه و بخش های زیرین آن شرایط انجماد به گونه ای کنترل شد که انجماد از دو قسمت قطعه شروع شده و به تغذیه ختم می گردد.
مراحل مختلف پر شدن و انجماد قطعه در شکل های زیر نشان داده شده است . قطعات تولید شده با این روش هیچ گونه عیبی را در تست اولتراسونیک نشان نداده و علاوه بر آن به دلیل انجماد یکنواخت تر قطعه خواص متالورژیکی قطعه نیز بالاتر و ساختار میکروسکپی یکنواخت تر می باشد.

 

 

 

مثال پنحم: ریخته گری غلتک های تبریدی

غلطک های چدنی تبریدی کاربرد عمده ای در صنایعی مانند نورد ورق ها دارند و کیفیت محصولات نوردی تاثیرپذیر از کیفیت غلطک ها می باشد . با توجه به شکل هندسی غلطک ها و از آنجایی که بخش ضخیم و بشکه قطعه با دو بازویی نسبتا بلند در دو طرف احاطه شده است، علیرغم سادگی ظاهری قطعه تولید آن به روش ریخته گری و با ساختار یکنواخت و عاری از حفره های انقباضی چندان ســـــاده نمی باشد . هر چند روش های متفاوتی نظیر ریخته گری گریز از مرکز نیز برای تولید غلتـک ها به کار برده می شوند، ولی بخش عمده ای از غلطک ها به روش ریخته گری ثقلی استــاتیکی تولید می گردند . برای تولید قطعه سالم و با کیفیت مطلوب عوامل زیادی می بایست مورد توجه قرار گیرد . علاوه بر عملیات کیفی مذاب و تهیه مذاب با کیفیت مناسب، طراحی سیستم راهگاهی و تغذیه گذاری و همچنین تکنولوژی قالب گیری تاثیر بسزایی در تولید قطعات سالم دارد.

با توجه به طول زیاد قطعه استفاده از چندین درجه برای قالب گیری الزامی خواهد بود. علاوه بر آن به دلیل طول زیاد راهگاه بارریز، سرعت مذاب در هنگام ورود به قالب بسیار زیاد بوده و در صورت طراحی نامناسب آن می تواند منجر به تخریب قالب و ماسه شویی گردد. استفاده از بارریز با قوس انتهایی و اتصال آن به صورت مماس به قطعه، می تواند در تغییر جهت آرام مذاب و جلوگیری از ماسه شویی موثر باشد.

از طرف دیگر مماس بودن راهباره ها موجب حرکت چرخشی شدید مذاب در محفظه قالب شده، آخال ها در مرکز غلطک تجمع یافته و از چسبیدن آنها به مبرد احاطه کننده بشکه غلطک جلوگیری می شود . چرخش شدید مذاب در محفظه قالب یک ضرورت اساسی در تولید غلطک ها است . از آنجایی که مذاب می بایست از قسمت پایین قطعه وارد شده و به تدریج به سمت بالا حرکت نماید، لذا پس از پر شدن قطعه شیب حرارتی داخل قطعه نامناسب بوده و می تواند منجر به ایجاد حفره انقباضی در قسمت بازویی پایین و عمدتا در محل تلاقی بازویی پایینی با بشکه گردد . به همین منظور و جهت حذف شیب حرارتی نامناسب، در مواردی حجم مذاب ریخته شده به داخل قالب بیش از حجم قالب بوده و مقدار مذاب اضافی، از ناودان طراحی شده در قسمت بالای تغذیه خارج شده و در پاتیل دیگری جمع آوری می گردد . ریختن مذاب اضافی به وزن 20-10 % وزن کلی قطعه جهت از بین بردن شیب حرارتی داخل قطعه متداول می باشد . طراحی مبرد و تعیین ضخامت آن و انتخاب نوع ماسه در دو طرف بشکه غلطک نیز در ایجاد ساختار موردنظر و جلوگیری از ایجاد حفره انقباضی نقش اساسی دارد.

ضخامت مبرد باید به گونه ای باشد تا علاوه بر ایجاد عمق سخت شده موردنظر از نظر تاثیر بر انجماد قطعه، امکان مذاب رسانی تغذیه را فراهم نماید . استفاده از اگزوترم در بالاترین قسمت بازویی بالا، زمان انجماد را به تاخیر انداخته و مذاب لازم جهت جبران انقباض را تامین می نماید. مبرد باید به گونه ای طراحی شود تا عمق چدن سفید موردنظر در سطح بشکه را ایجاد نموده و علاوه بر آن به گونه ای بر انجماد قطعه تاثیر گذارد که پس از انجماد کامل در بشکه، انقباض بازویی پایین با انبساط ناشی از آزاد شدن گرافیت در حین انجماد جبران گشته و تغذیه بالایی جبران انقباض بازویی بالا را نماید.

از طرف دیگر سختی طرف بالا و پایین و وسط بشکه دارای تلرانس دقیقی بوده و همین مسئله در مورد بازوهای غلطک ها نیز صدق می کند . امروزه دستیابی به این ردیف سختی استاندارد بدون استفاده از امکانات شبیه سازی مستلزم ماه ها تجربه سعی و خطا و صرف هزینه بسیار بالایی می باشد . همچنین طراحی و انتخاب ضخامت مبرد بدون استفاده ازشبیه سازی انجماد نیازمند سعی و خطا بوده و با زمان و هزینه زیادی همراه خواهد بود . ولی با استفاده از شبیه سازی حرکت سیال و انجماد می توان از طراحی سیستم راهگاهی و سرعت حرکت مذاب و جلوگیری از ایجاد ماسه شویی، قبل از ساخت درجه ها و ساخت سیستم راهگاهی اطمینان حاصل نمود . علاوه بر آن به کمک شبیه سازی انجماد می توان شرایط انجماد قطعه را با استفاده از مبردهای با ضخامت مختلف پیش بینی کرده و بر مبنای آن بهینه ترین ابعاد مبرد را جهت ایجاد ساختار دوگانه موردنظر و همچنین انجماد مناسب قطعه انتخاب نمود . علاوه بر آن با توجه به تغییر مدول قطعه در محل اتصال بازویی ها به بشکه غلطک می توان تاثیر مواد قالب گیری با ظرفیت حرارتی و نفوذ حرارتی مختلف را بررسی نموده و بر مبنای آن و با توجه به قطر و طول بازویی، بهینه ترین شرایط قالب گیری را انتخاب نمود.

 

 منبع:www.noandishaan.com



تاريخ : دوشنبه دوم آبان 1390 | 17:30 | نویسنده : وحید مهدوی |