КОНСОЛИДИРОВАННЫЙ КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
ПУБЛИКАЦИИ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
ПУБЛИКАЦИИ
Актуальность. Обеспечение прочности и надежности сложных технических изделий является актуальной проблемой современного машиностроения, вклад в которую вносит комплекс факторов, связанных с конструкционными материалами, геометрическими параметрами конструкций и технологиями изготовления. Преобладающие позиции в постоянно расширяющейся номенклатуре конструкционных материалов занимают металлические сплавы, которые несут основную силовую нагрузку при эксплуатации деталей машин. Традиционно разработка и совершенствование сплавов базируется на теоретическом или экспериментальном исследовании тестовых образцов, геометрия которых проста и не отражает полностью трехмерные условия нагружения деталей и эволюцию реальных макроразрушений. В опубликованных сведениях о повышении эксплуатационных свойств сплавов учтены преимущественно факторы легирования и технологической обработки. Отсутствие методов однозначной трансляции имеющихся сведений на поведение сплавов в нагруженных конструкциях с неординарной пространственной геометрией восполняется в конструкторской практике плохо обоснованными или завышенными коэффициентами запаса по прочности.
Необходимость изменений в традиционных подходах к анализу конструкционных материалов обусловлена стремительным развитием информационной инфраструктуры машиностроения на базе интегрированных сред проектирования и подготовки производства CAD/CAE/CAM. Уникальными инструментами для исследования цифровых моделей в составе интегрированных комплексов становятся программы инженерного анализа САЕ (Computer Aided Engineering), которые позволяют формулировать новые подходы к выбору и созданию материалов, совершенствованию технологий и расчетному обоснованию конструкторских проектов. Эффективное использование современных дорогостоящих компьютерных инструментов САЕ лимитируется отсутствием необходимых моделей поведения материалов при воздействии технологических и эксплуатационных нагрузок.
Приведенный краткий обзор современной проблематики показывает актуальность темы исследования, обусловленную не только практическими потребностями машиностроения, но и необходимостью развития научных основ для управления структурой металлических материалов, а также технологиями изготовления деталей с повышенной прочностью и надежностью на стадии проектирования изделий в интегрированных программных средах.
Актуальность темы и области исследований подтверждается научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами, которые были выполнены под руководством и с участием диссертанта для промышленных предприятий Уральского региона и подтверждены актами внедрения. Так, на период 2014-2015 гг. между УрФУ и предприятием заключен договор 3
№ Н979.210.008/14 на выполнение научно-исследовательской работы по теме «Разработка методики определения эффективных теплофизических коэффициентов формовочных материалов, используемых на ОАО Научно-производственная корпорация «Уралвагонзавод», для повышения достоверности расчетов в системе компьютерного моделирования литейных процессов ЬУМР1о’№». Работа выполняется под руководством диссертанта и направлена на создание и совершенствование электронных баз данных материалов для консолидированного компьютерного анализа технологических процессов и режимов эксплуатации литых деталей в транспортном машиностроении.
Цель и задачи. Целью диссертационной работы является разработка концепции, методов и моделей для консолидированного компьютерного анализа материалов, технологий и изделий в программной среде цифрового машиностроения с учетом влияния технологически обусловленной структурной неоднородности на эффективные физико-механические и функциональные свойства металлических материалов при воздействии технологических и эксплуатационных нагрузок.
В развитии концепции и методов консолидированного компьютерного анализа и их практической реализации акцент сделан на технологиях литья, поскольку изготовление слитков и литых заготовок предшествует выполнению остальных технологических процессов машиностроения. В исследовании металлических материалов акцент сделан на никель-содержащих сплавах, обладающих комплексом механических и эксплуатационных свойств.
Достижение поставленной цели потребовало решения основных задач, имеющих методическую, теоретическую и практическую значимость.
1. Разработать концепцию (содержание и структуру информационных потоков) и методы консолидированного компьютерного анализа материалов, технологий и конструкции деталей применительно к конкретным условиям изготовления и эксплуатации изделий с использованием авторских программ и коммерческих проектных средств цифрового машиностроения от российских и зарубежных разработчиков.
2. Разработать методы информационного материаловедения для восстановления теплофизических свойств материалов в электронных базах данных и модели, обеспечивающие уточненный компьютерный анализ технологических процессов и количественное прогнозирование технологически обусловленной структурной неоднородности металлических материалов с учетом образования усадочной пористости в эффективном интервале кристаллизации.
3. Провести компьютерный анализ высокотемпературных процессов формирования неоднородного распределения состава, структуры и технологических дефектов в металлических материалах, а также их напряженно- деформированного состояния в эффективном интервале кристаллизации с использованием созданных моделей и разработанных методов.
4. Исследовать компьютерными и экспериментальными методами влияние технологически обусловленной структурной неоднородности на эффективные механические и функциональные свойства металлических мате-риалов для уточнения моделей поведения в компьютерном анализе технологических процессов и нагруженных состояний.
5. Выполнить комплексное исследование структуры и свойств макро- изотропных железо-никелевых сплавов с кристаллической решеткой ГЦК после технологических процессов литья и термической обработки.
6. Выполнить комплексное исследование структуры, текстуры и свойств анизотропных платина-никелевых сплавов с трансформацией кристаллической решетки ГЦК ^ ГЦТ после технологических процессов волочения и термической обработки.
7. Использовать результаты исследований и методических разработок для создания верифицированных консолидированных моделей применительно к конкретным условиям изготовления и эксплуатации изделий в интересах промышленных предприятий Уральского региона.
Научная новизна работы определяется следующей совокупностью впервые полученных результатов исследований.
1. Предложена концепция информационных потоков, консолидирующих выбор, совершенствование и разработку сплавов, обладающих уникальным комплексом функциональных и физико-механических свойств, с компьютерным конструкционным и технологическим анализом при проектировании изделий машиностроения с учетом структурной неоднородности металлических материалов. Введены и обоснованы в рамках предложенной концепции новые понятия «информационное материаловедение» и «цифровое машиностроение». На базе концепции разработаны методы информационного материаловедения и созданы модели для компьютерного моделирования процессов эксплуатации и получения никель-содержащих сплавов с применением технологий литья, волочения и термической обработки.
2. Разработаны в составе информационного материаловедения расчетно-экспериментальные методы уточнения эффективных свойств материалов для компьютерного моделирования технологических процессов литья и волочения в рамках концепции консолидированного анализа процессов получения и эксплуатации металлических материалов в машиностроении.
3. Построены модели для консолидированного компьютерного анализа с использованием средств цифрового машиностроения, которые позволяют давать количественную оценку напряженно-деформированному состоянию литейных сплавов в высокотемпературной области и далее под воздействием эксплуатационной силовой нагрузки с учетом технологической микропористости, а также проводить компьютерное исследование явлений, связанных с формированием неоднородной структуры в эффективном интервале кристаллизации и определяющих, как технологические, так и эксплуатационные напряжения и разрушения.
4. Компьютерными и экспериментальными методами изучены свойства и неоднородная структура литейных инваров Fe-Ni и суперинваров Fe-Ni-Co. Дана количественная оценка влияния ликвации легирующих элементов на температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР).
5. Компьютерными и экспериментальными методами изучены структура, текстура и комплекс свойств упорядоченных по типу Lio сплавов на однотипных проволочных образцах, что позволяет корректно сопоставлять механические и функциональные свойства со структурой и создавать модели поведения металлических материалов для консолидированного компьютерного анализа процессов их получения и эксплуатации. Установлены закономерности изменения текстуры деформации в процессе рекристаллизации и упорядочивающего отжига сплавов, образующих сверхструктуру L1o. Показано, что наследование текстуры деформации упорядоченным сплавом является одним из важнейших факторов, обусловливающих повышенные механические свойства резистивных сплавов Pt-Ni и Pt-Ni-Cu.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся концепция, методы, модели и результаты консолидированного компьютерного анализа процессов получения и эксплуатации металлических материалов, а также результаты исследования разработанных никель-содержащих сплавов с комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств.
1. Концепция (новый подход к расчетному обоснованию конструкционной прочности металлических материалов в рамках информационной структуры современного машиностроительного проектирования) консолидированного компьютерного исследования структуры и свойств материалов с привле-чением средств компьютерного инженерного анализа, а также эксплуатационной прочности конкретных деталей и технологий их изготовления с учетом неоднородно распределенных структурных параметров.
2. Методы информационного материаловедения (реализованные в программных средствах модели и способы трансляции данных) для создания комплекса уточненных свойств в базах данных цифрового машиностроения, обеспечивающих повышенную точность консолидированного компьютерного анализа процессов получения и эксплуатации металлических материалов.
3. Модели и алгоритмы компьютерного анализа процессов формирования неоднородного распределения состава, структуры, технологической дефектности и напряженно-деформированных состояний металлических материалов при охлаждении от температуры ликвидус с использованием технологических и конструкторских программ CAE, а также полученные с их помощью количественные оценки и закономерности изменения свойств при охлаждении в температурном интервале вблизи солидуса.
4. Результаты экспериментального и компьютерного исследования структуры и свойств литейных железо-никелевых инваров и суперинваров на основе Fe-Ni-Co; установленный факт влияния внутрикристаллитной ликвации никеля на ТКЛР этих сплавов.
5. Результаты исследования свойств, зеренной структуры и текстуры сплавов Pt50(Ni+Cu)50; установленный факт наследования при упорядочении острой аксиальной текстуры деформации и сохранения исходной волокнистой зеренной структуры при отжиге ниже температуры перехода ГЦК-ГЦТ, а также определяющего влияния кристаллографической и механической текстуры на высокие прочностные и пластические характеристики проволоки упорядоченных по типу L1oсплавов.
6. Консолидированные модели САЕ для компьютерного анализа литых деталей и программные средства трансляции данных о технологически обусловленных эффективных характеристиках материалов.
Достоверность результатов работы базируется на тщательном анализе имеющихся литературных источников; обеспечивается использованием комплекса современных методов исследования структуры и свойств металлов, включая сертифицированные на международном уровне компьютерные про-граммы; подтверждается соответствием компьютерных прогнозов, базирующихся на разработанных моделях, наблюдаемым экспериментальным фактам и производственным испытаниям.
Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом многолетней исследовательской работы автора (с 1982 г.) на металлургическом и механико-машиностроительном факультетах ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ», далее - в Механико-машиностроительном институте УрФУ (по настоящее время). Диссертанту принадлежит основная роль в постановке цели и задач исследования, в выборе путей и методов их решения. Все этапы экспериментальной работы проведены при непосредственном участии диссертанта. Диссертантом лично разработаны программные модули, проведен консолидированный компьютерный анализ изделий и технологий их изготовления с использованием авторских и коммерческих программ, интерпретированы результаты, написаны научные статьи. Организовано новое прикладное направление: консолидированный компьютерный анализ в интегрированной среде CAD/CAE/CAM. Сформулированные принципы и методы компьютерного инженерного анализа в течение 2o лет внедрены на заводах РФ вместе с поставками программного обеспечения в рамках консалтинга и технической поддержки.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на международных конференциях и симпозиумах: «Материаловедение. Машиностроение. Энергетика» (Екатеринбург, 2015), «Параллельные вычислительные технологии» (Екатеринбург, 2015; Челябинск, 2013; Санкт-Петербург, 2008), «Инженерные системы» (Москва, 2014), European Congress on Advanced Materials and Processes EUROMAT (Spain, 2013; France, 2011), International Conference on F-elements ICF (Italy, 2012), International Workshop on Advanced Spectroscopy and Optical Materials IWASOM (Poland, 2011), Russian-Korea Workshop on Advanced Computer and Information Technologies (Ekaterinburg, 2012, 2011), «Международная конференция по радиационной физике, новым материалам и информационным технологиям» SCORPH (Киргизия, 2010), Europhysical Conference on Defects in Insulating Materials EURODIM (Hungary, 2010), «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (Москва, 2010), «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2010), Mathematical Modeling and Computer Simulation of Material Technologies (Israel, 2008), «Информационно-математические технологии в экономике, технике и образовании» (Екатеринбург, 2008), «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» (Тюмень, 2006), «Современные проблемы атомной науки и техники» (Снежинск, 2003), «Разрушение и мониторинг свойств металлов» (Екатеринбург, 2003, 2001).
Результаты работы были доложены на российских конференциях и семинарах: «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2014, 2011, 2009), Съезд литейщиков России (Екатеринбург, 2013, 1997), «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2012, 2010, 2008, 2006), «Физические методы неразрушающего контроля» (Екатеринбург, 2011, 2009), «Новые материалы и технологии» (Москва, 2012, 2010, 2008), Люльевские чтения (Екатеринбург, 2010), «Компьютерный инженерный анализ» (Челябинск, 2008; Екатеринбург, 2007), «Методы компьютерного проектирования и расчета нефтяного и газового оборудования» (Тюмень, 2006), «Проблемы эффективной подготовки специалистов и использования результатов научных исследований высшей школы России для пред-приятий военно-промышленного комплекса» (Ижевск, 2003), «Совершенствование литейных процессов» (Екатеринбург, 1996), «Фундаментальные и прикладные аспекты исследований структуры и свойств стареющих сплавов» (Екатеринбург, 1992).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 30 статьях, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, из них 9 статей вошли в международные индексируемые базы SCOPUS и Web of Science.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Объем работы - 332 страницы, в том числе 87 рисунков, 10 таблиц. Список цитированной литературы содержит 370 источников, в том числе - 125 работ автора.
Необходимость изменений в традиционных подходах к анализу конструкционных материалов обусловлена стремительным развитием информационной инфраструктуры машиностроения на базе интегрированных сред проектирования и подготовки производства CAD/CAE/CAM. Уникальными инструментами для исследования цифровых моделей в составе интегрированных комплексов становятся программы инженерного анализа САЕ (Computer Aided Engineering), которые позволяют формулировать новые подходы к выбору и созданию материалов, совершенствованию технологий и расчетному обоснованию конструкторских проектов. Эффективное использование современных дорогостоящих компьютерных инструментов САЕ лимитируется отсутствием необходимых моделей поведения материалов при воздействии технологических и эксплуатационных нагрузок.
Приведенный краткий обзор современной проблематики показывает актуальность темы исследования, обусловленную не только практическими потребностями машиностроения, но и необходимостью развития научных основ для управления структурой металлических материалов, а также технологиями изготовления деталей с повышенной прочностью и надежностью на стадии проектирования изделий в интегрированных программных средах.
Актуальность темы и области исследований подтверждается научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами, которые были выполнены под руководством и с участием диссертанта для промышленных предприятий Уральского региона и подтверждены актами внедрения. Так, на период 2014-2015 гг. между УрФУ и предприятием заключен договор 3
№ Н979.210.008/14 на выполнение научно-исследовательской работы по теме «Разработка методики определения эффективных теплофизических коэффициентов формовочных материалов, используемых на ОАО Научно-производственная корпорация «Уралвагонзавод», для повышения достоверности расчетов в системе компьютерного моделирования литейных процессов ЬУМР1о’№». Работа выполняется под руководством диссертанта и направлена на создание и совершенствование электронных баз данных материалов для консолидированного компьютерного анализа технологических процессов и режимов эксплуатации литых деталей в транспортном машиностроении.
Цель и задачи. Целью диссертационной работы является разработка концепции, методов и моделей для консолидированного компьютерного анализа материалов, технологий и изделий в программной среде цифрового машиностроения с учетом влияния технологически обусловленной структурной неоднородности на эффективные физико-механические и функциональные свойства металлических материалов при воздействии технологических и эксплуатационных нагрузок.
В развитии концепции и методов консолидированного компьютерного анализа и их практической реализации акцент сделан на технологиях литья, поскольку изготовление слитков и литых заготовок предшествует выполнению остальных технологических процессов машиностроения. В исследовании металлических материалов акцент сделан на никель-содержащих сплавах, обладающих комплексом механических и эксплуатационных свойств.
Достижение поставленной цели потребовало решения основных задач, имеющих методическую, теоретическую и практическую значимость.
1. Разработать концепцию (содержание и структуру информационных потоков) и методы консолидированного компьютерного анализа материалов, технологий и конструкции деталей применительно к конкретным условиям изготовления и эксплуатации изделий с использованием авторских программ и коммерческих проектных средств цифрового машиностроения от российских и зарубежных разработчиков.
2. Разработать методы информационного материаловедения для восстановления теплофизических свойств материалов в электронных базах данных и модели, обеспечивающие уточненный компьютерный анализ технологических процессов и количественное прогнозирование технологически обусловленной структурной неоднородности металлических материалов с учетом образования усадочной пористости в эффективном интервале кристаллизации.
3. Провести компьютерный анализ высокотемпературных процессов формирования неоднородного распределения состава, структуры и технологических дефектов в металлических материалах, а также их напряженно- деформированного состояния в эффективном интервале кристаллизации с использованием созданных моделей и разработанных методов.
4. Исследовать компьютерными и экспериментальными методами влияние технологически обусловленной структурной неоднородности на эффективные механические и функциональные свойства металлических мате-риалов для уточнения моделей поведения в компьютерном анализе технологических процессов и нагруженных состояний.
5. Выполнить комплексное исследование структуры и свойств макро- изотропных железо-никелевых сплавов с кристаллической решеткой ГЦК после технологических процессов литья и термической обработки.
6. Выполнить комплексное исследование структуры, текстуры и свойств анизотропных платина-никелевых сплавов с трансформацией кристаллической решетки ГЦК ^ ГЦТ после технологических процессов волочения и термической обработки.
7. Использовать результаты исследований и методических разработок для создания верифицированных консолидированных моделей применительно к конкретным условиям изготовления и эксплуатации изделий в интересах промышленных предприятий Уральского региона.
Научная новизна работы определяется следующей совокупностью впервые полученных результатов исследований.
1. Предложена концепция информационных потоков, консолидирующих выбор, совершенствование и разработку сплавов, обладающих уникальным комплексом функциональных и физико-механических свойств, с компьютерным конструкционным и технологическим анализом при проектировании изделий машиностроения с учетом структурной неоднородности металлических материалов. Введены и обоснованы в рамках предложенной концепции новые понятия «информационное материаловедение» и «цифровое машиностроение». На базе концепции разработаны методы информационного материаловедения и созданы модели для компьютерного моделирования процессов эксплуатации и получения никель-содержащих сплавов с применением технологий литья, волочения и термической обработки.
2. Разработаны в составе информационного материаловедения расчетно-экспериментальные методы уточнения эффективных свойств материалов для компьютерного моделирования технологических процессов литья и волочения в рамках концепции консолидированного анализа процессов получения и эксплуатации металлических материалов в машиностроении.
3. Построены модели для консолидированного компьютерного анализа с использованием средств цифрового машиностроения, которые позволяют давать количественную оценку напряженно-деформированному состоянию литейных сплавов в высокотемпературной области и далее под воздействием эксплуатационной силовой нагрузки с учетом технологической микропористости, а также проводить компьютерное исследование явлений, связанных с формированием неоднородной структуры в эффективном интервале кристаллизации и определяющих, как технологические, так и эксплуатационные напряжения и разрушения.
4. Компьютерными и экспериментальными методами изучены свойства и неоднородная структура литейных инваров Fe-Ni и суперинваров Fe-Ni-Co. Дана количественная оценка влияния ликвации легирующих элементов на температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР).
5. Компьютерными и экспериментальными методами изучены структура, текстура и комплекс свойств упорядоченных по типу Lio сплавов на однотипных проволочных образцах, что позволяет корректно сопоставлять механические и функциональные свойства со структурой и создавать модели поведения металлических материалов для консолидированного компьютерного анализа процессов их получения и эксплуатации. Установлены закономерности изменения текстуры деформации в процессе рекристаллизации и упорядочивающего отжига сплавов, образующих сверхструктуру L1o. Показано, что наследование текстуры деформации упорядоченным сплавом является одним из важнейших факторов, обусловливающих повышенные механические свойства резистивных сплавов Pt-Ni и Pt-Ni-Cu.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся концепция, методы, модели и результаты консолидированного компьютерного анализа процессов получения и эксплуатации металлических материалов, а также результаты исследования разработанных никель-содержащих сплавов с комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств.
1. Концепция (новый подход к расчетному обоснованию конструкционной прочности металлических материалов в рамках информационной структуры современного машиностроительного проектирования) консолидированного компьютерного исследования структуры и свойств материалов с привле-чением средств компьютерного инженерного анализа, а также эксплуатационной прочности конкретных деталей и технологий их изготовления с учетом неоднородно распределенных структурных параметров.
2. Методы информационного материаловедения (реализованные в программных средствах модели и способы трансляции данных) для создания комплекса уточненных свойств в базах данных цифрового машиностроения, обеспечивающих повышенную точность консолидированного компьютерного анализа процессов получения и эксплуатации металлических материалов.
3. Модели и алгоритмы компьютерного анализа процессов формирования неоднородного распределения состава, структуры, технологической дефектности и напряженно-деформированных состояний металлических материалов при охлаждении от температуры ликвидус с использованием технологических и конструкторских программ CAE, а также полученные с их помощью количественные оценки и закономерности изменения свойств при охлаждении в температурном интервале вблизи солидуса.
4. Результаты экспериментального и компьютерного исследования структуры и свойств литейных железо-никелевых инваров и суперинваров на основе Fe-Ni-Co; установленный факт влияния внутрикристаллитной ликвации никеля на ТКЛР этих сплавов.
5. Результаты исследования свойств, зеренной структуры и текстуры сплавов Pt50(Ni+Cu)50; установленный факт наследования при упорядочении острой аксиальной текстуры деформации и сохранения исходной волокнистой зеренной структуры при отжиге ниже температуры перехода ГЦК-ГЦТ, а также определяющего влияния кристаллографической и механической текстуры на высокие прочностные и пластические характеристики проволоки упорядоченных по типу L1oсплавов.
6. Консолидированные модели САЕ для компьютерного анализа литых деталей и программные средства трансляции данных о технологически обусловленных эффективных характеристиках материалов.
Достоверность результатов работы базируется на тщательном анализе имеющихся литературных источников; обеспечивается использованием комплекса современных методов исследования структуры и свойств металлов, включая сертифицированные на международном уровне компьютерные про-граммы; подтверждается соответствием компьютерных прогнозов, базирующихся на разработанных моделях, наблюдаемым экспериментальным фактам и производственным испытаниям.
Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом многолетней исследовательской работы автора (с 1982 г.) на металлургическом и механико-машиностроительном факультетах ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ», далее - в Механико-машиностроительном институте УрФУ (по настоящее время). Диссертанту принадлежит основная роль в постановке цели и задач исследования, в выборе путей и методов их решения. Все этапы экспериментальной работы проведены при непосредственном участии диссертанта. Диссертантом лично разработаны программные модули, проведен консолидированный компьютерный анализ изделий и технологий их изготовления с использованием авторских и коммерческих программ, интерпретированы результаты, написаны научные статьи. Организовано новое прикладное направление: консолидированный компьютерный анализ в интегрированной среде CAD/CAE/CAM. Сформулированные принципы и методы компьютерного инженерного анализа в течение 2o лет внедрены на заводах РФ вместе с поставками программного обеспечения в рамках консалтинга и технической поддержки.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на международных конференциях и симпозиумах: «Материаловедение. Машиностроение. Энергетика» (Екатеринбург, 2015), «Параллельные вычислительные технологии» (Екатеринбург, 2015; Челябинск, 2013; Санкт-Петербург, 2008), «Инженерные системы» (Москва, 2014), European Congress on Advanced Materials and Processes EUROMAT (Spain, 2013; France, 2011), International Conference on F-elements ICF (Italy, 2012), International Workshop on Advanced Spectroscopy and Optical Materials IWASOM (Poland, 2011), Russian-Korea Workshop on Advanced Computer and Information Technologies (Ekaterinburg, 2012, 2011), «Международная конференция по радиационной физике, новым материалам и информационным технологиям» SCORPH (Киргизия, 2010), Europhysical Conference on Defects in Insulating Materials EURODIM (Hungary, 2010), «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (Москва, 2010), «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2010), Mathematical Modeling and Computer Simulation of Material Technologies (Israel, 2008), «Информационно-математические технологии в экономике, технике и образовании» (Екатеринбург, 2008), «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» (Тюмень, 2006), «Современные проблемы атомной науки и техники» (Снежинск, 2003), «Разрушение и мониторинг свойств металлов» (Екатеринбург, 2003, 2001).
Результаты работы были доложены на российских конференциях и семинарах: «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2014, 2011, 2009), Съезд литейщиков России (Екатеринбург, 2013, 1997), «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2012, 2010, 2008, 2006), «Физические методы неразрушающего контроля» (Екатеринбург, 2011, 2009), «Новые материалы и технологии» (Москва, 2012, 2010, 2008), Люльевские чтения (Екатеринбург, 2010), «Компьютерный инженерный анализ» (Челябинск, 2008; Екатеринбург, 2007), «Методы компьютерного проектирования и расчета нефтяного и газового оборудования» (Тюмень, 2006), «Проблемы эффективной подготовки специалистов и использования результатов научных исследований высшей школы России для пред-приятий военно-промышленного комплекса» (Ижевск, 2003), «Совершенствование литейных процессов» (Екатеринбург, 1996), «Фундаментальные и прикладные аспекты исследований структуры и свойств стареющих сплавов» (Екатеринбург, 1992).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 30 статьях, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, из них 9 статей вошли в международные индексируемые базы SCOPUS и Web of Science.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Объем работы - 332 страницы, в том числе 87 рисунков, 10 таблиц. Список цитированной литературы содержит 370 источников, в том числе - 125 работ автора.
По результатам экспериментальных, компьютерных, аналитических и прикладных исследований, проведенных в данной работе, предложена и обоснована концепция консолидированного компьютерного анализа процессов получения и эксплуатации металлических материалов в цифровом машиностроении, которая заявляет новый подход к обработке информации о мате-риалах в расчетном обосновании проектируемых изделий. Получен комплекс новых данных, принципиально важных для решения проблемы повышения точности в оценке конструкционной прочности и эффективности проектирования деталей машин и приборов в интегрированных программных средах CAD/CAE/CAM с учетом технологий их изготовления, влияющих на структуру и свойства материалов.
Представленные результаты исследований внедрены в производственную практику в рамках НИОКР и технической поддержки поставляемого программного обеспечения CAD/CAE/CAM в составе комплексной автоматизации проектирования на машиностроительных предприятиях. Созданы и верифицированы модели в программных средах CAE от российских и зарубежных разработчиков, позволяющие давать количественную оценку дефектности и прочности металлических материалов при решении прикладных задач в интересах предприятий Уральского региона. Созданные и верифицированные модели способствуют эффективному использованию дорогостоящего программного обеспечения, являются наукоемким продуктом, формирование которого зачастую не может быть выполнено силами заводских инженеров.
Совокупность полученных в диссертационной работе результатов, методов, обобщений и верифицированных моделей позволяет говорить о решении актуальной проблемы повышения точности компьютерного инженерного анализа и инициировании перспективного научного направления на стыке информационного и вычислительного материаловедения. Прежде всего, выполненные исследования вносят существенный вклад в количественное представление причинно-следственной связи высокотемпературных технологических процессов с формированием неоднородного распределения структурных элементов и технологических дефектов в макрообъеме проектируемой детали, определяющих эффективные механические и функциональные свойства металлических материалов.
Полученные результаты являются научной основой для дальнейшей разработки прикладных аспектов формирования баз данных материалов и целенаправленной разработки новых материалов с использованием разработанной методологии консолидированного анализа проектируемых изделий и технологий в контексте цифрового машиностроения.
Основные выводы и результаты работы заключаются в следующем:
1. Обоснована концепция (содержание и структура информационных потоков в компьютерном инженерном анализе CAE), на базе которой разработаны методы, модели и программные средства консолидированного компьютерного анализа для совершенствования материалов, технологий и конструкции деталей на этапе проектирования машиностроительных изделий.
Концепция содержит новый подход к обработке информации о материалах в расчетном обосновании проектируемых изделий с использованием интегрированных программных сред CAD/CAE/CAM, который заключается в передаче информации о технологически обусловленном неоднородном распределении структурных параметров, влияющих на комплекс механических и функциональных свойств, из компьютерного анализа CAE технологических процессов в компьютерный анализ CAE режимов эксплуатации изделий.
Введено понятие цифрового машиностроения для обозначения быстро прогрессирующей расширенной информационной структуры, объединяющей цифровое производство и системы автоматизированного проектирования CAD/CAE/CAM, включая компьютерный инженерный анализ и предпроизводственную подготовку. В информационной инфраструктуре цифрового машиностроения выделены электронные базы данных материалов, к которым предъявляется требование обеспечить симуляцию технологий и режимов эксплуатации проектируемых изделий достоверной информацией о свойствах и моделях поведения материалов.
Введено понятие информационного материаловедения для обозначения новой области современного материаловедения в рамках предложенной классификации по признаку используемой методологии. Информационное материаловедение призвано решать возникающие в цифровом машиностроении задачи организации электронных баз данных конструкционных и функциональных материалов, создания методов выбора материалов с заданным комплексом свойств, обработки и цифрового представления структуры материалов, представления свойств и закономерностей поведения материалов в моделях симуляции технологических процессов и режимов эксплуатации изделий.
2. Разработанные в рамках концепции консолидированного компьютерного анализа методы (реализованные в программных модулях алгоритмы) информационного материаловедения, позволяющие уточнять теплофизические и прочностные свойства материалов в компьютерном анализе технологий и конструкций, а также усовершенствованные с их использованием никель-содержащие сплавы Pt-Ni-Cu (ПлНМ-18-5) и Fe-Ni-Co (32НКБЛ), конструкции литых деталей и технологические процессы их изготовления внедрены в производство, в том числе - на предприятиях оборонно-промышленного комплекса.
3. Инициировано новое направление прикладных исследований на стыке информационного и вычислительного материаловедения для развития методологии компьютерного моделирования CAE с повышенной точностью расчетных прогнозов: консолидированный компьютерный анализ надежности и работоспособности проектируемых изделий в интегрированной среде CAD/CAE/CAM с учетом аспектов технологически обусловленной структурной неоднородности конструкционных и функциональных материалов. Инициированное научное направление ставит ряд новых, актуальных задач, связанных с преодолением существующих информационных барьеров между материаловедом, технологом и конструктором.
4. В рамках концепции консолидированного анализа для уточненной количественной оценки напряженно-деформированных состояний литых деталей разработаны методы и модели на базе конструкторских и технологических программ CAE, связывающие формирование неоднородной структуры металлического материала в эффективном интервале кристаллизации с критическим снижением термостабильных и прочностных характеристик. Разработан расчетно-экспериментальный метод восстановления теплофизических свойств материалов в неограниченном температурном интервале с использованием алгоритма многомерной оптимизации, позволяющий дополнять электронные базы данных для уточненного компьютерного моделирования литейных технологий. Для трансляции в модели компьютерного анализа литых деталей разработан расчетный метод построения зависимости локального снижения прочности литейного сплава от технологической усадки с учетом микроструктуры.
5. С применением разработанных компьютерных методов и экспериментально исследованы сплавы на основе Fe-Ni-Co. Установлено, что внутрикристаллитная ликвация никеля влияет на эффективные теплофизические свойства литейных инваров и суперинваров. Построена модель влияния ликвации на ТКЛР, которая реализована в компьютерной программе и позволяет оптимизировать химический состав инварных сплавов в соответствии с за-данным служебным значением ТКЛР.
6. В рамках предложенной концепции консолидированного компьютерного анализа металлических материалов, процессов их получения и эксплуатации проведены натурные и компьютерные эксперименты с проволокой из упорядочивающихся по типу L10сплавов Pt50Ni25+xCu25-x; определены кинетические и энергетические параметры фазового перехода ГЦК-ГЦТ в зависимости от температуры отжига и химического состава; получены, аппроксимированы и использованы в компьютерном анализе напряженно- деформированных состояний кривые деформации; обоснованы технологические процессы, обеспечивающие получение комплекса резистивных и прочностных свойств. Показано, что сохранение текстуры деформации и волокнистой зеренной структуры в проволоке при отжиге ниже TKявляется, наряду с процессами упорядочения и возврата, ответственным за сочетание высоких прочностных и пластических свойств.
7. Результаты исследований и методических разработок использованы при выполнении проектных и опытно-конструкторских работ. Созданы консолидированные модели САЕ трех типов (модель на единой расчетной сетке, модель составной геометрии, модель с трансляцией данных между разнородными расчетными сетками) для компьютерного анализа технологий и деталей из сплавов с различным химическим и фазовым составом.
Представленные результаты исследований внедрены в производственную практику в рамках НИОКР и технической поддержки поставляемого программного обеспечения CAD/CAE/CAM в составе комплексной автоматизации проектирования на машиностроительных предприятиях. Созданы и верифицированы модели в программных средах CAE от российских и зарубежных разработчиков, позволяющие давать количественную оценку дефектности и прочности металлических материалов при решении прикладных задач в интересах предприятий Уральского региона. Созданные и верифицированные модели способствуют эффективному использованию дорогостоящего программного обеспечения, являются наукоемким продуктом, формирование которого зачастую не может быть выполнено силами заводских инженеров.
Совокупность полученных в диссертационной работе результатов, методов, обобщений и верифицированных моделей позволяет говорить о решении актуальной проблемы повышения точности компьютерного инженерного анализа и инициировании перспективного научного направления на стыке информационного и вычислительного материаловедения. Прежде всего, выполненные исследования вносят существенный вклад в количественное представление причинно-следственной связи высокотемпературных технологических процессов с формированием неоднородного распределения структурных элементов и технологических дефектов в макрообъеме проектируемой детали, определяющих эффективные механические и функциональные свойства металлических материалов.
Полученные результаты являются научной основой для дальнейшей разработки прикладных аспектов формирования баз данных материалов и целенаправленной разработки новых материалов с использованием разработанной методологии консолидированного анализа проектируемых изделий и технологий в контексте цифрового машиностроения.
Основные выводы и результаты работы заключаются в следующем:
1. Обоснована концепция (содержание и структура информационных потоков в компьютерном инженерном анализе CAE), на базе которой разработаны методы, модели и программные средства консолидированного компьютерного анализа для совершенствования материалов, технологий и конструкции деталей на этапе проектирования машиностроительных изделий.
Концепция содержит новый подход к обработке информации о материалах в расчетном обосновании проектируемых изделий с использованием интегрированных программных сред CAD/CAE/CAM, который заключается в передаче информации о технологически обусловленном неоднородном распределении структурных параметров, влияющих на комплекс механических и функциональных свойств, из компьютерного анализа CAE технологических процессов в компьютерный анализ CAE режимов эксплуатации изделий.
Введено понятие цифрового машиностроения для обозначения быстро прогрессирующей расширенной информационной структуры, объединяющей цифровое производство и системы автоматизированного проектирования CAD/CAE/CAM, включая компьютерный инженерный анализ и предпроизводственную подготовку. В информационной инфраструктуре цифрового машиностроения выделены электронные базы данных материалов, к которым предъявляется требование обеспечить симуляцию технологий и режимов эксплуатации проектируемых изделий достоверной информацией о свойствах и моделях поведения материалов.
Введено понятие информационного материаловедения для обозначения новой области современного материаловедения в рамках предложенной классификации по признаку используемой методологии. Информационное материаловедение призвано решать возникающие в цифровом машиностроении задачи организации электронных баз данных конструкционных и функциональных материалов, создания методов выбора материалов с заданным комплексом свойств, обработки и цифрового представления структуры материалов, представления свойств и закономерностей поведения материалов в моделях симуляции технологических процессов и режимов эксплуатации изделий.
2. Разработанные в рамках концепции консолидированного компьютерного анализа методы (реализованные в программных модулях алгоритмы) информационного материаловедения, позволяющие уточнять теплофизические и прочностные свойства материалов в компьютерном анализе технологий и конструкций, а также усовершенствованные с их использованием никель-содержащие сплавы Pt-Ni-Cu (ПлНМ-18-5) и Fe-Ni-Co (32НКБЛ), конструкции литых деталей и технологические процессы их изготовления внедрены в производство, в том числе - на предприятиях оборонно-промышленного комплекса.
3. Инициировано новое направление прикладных исследований на стыке информационного и вычислительного материаловедения для развития методологии компьютерного моделирования CAE с повышенной точностью расчетных прогнозов: консолидированный компьютерный анализ надежности и работоспособности проектируемых изделий в интегрированной среде CAD/CAE/CAM с учетом аспектов технологически обусловленной структурной неоднородности конструкционных и функциональных материалов. Инициированное научное направление ставит ряд новых, актуальных задач, связанных с преодолением существующих информационных барьеров между материаловедом, технологом и конструктором.
4. В рамках концепции консолидированного анализа для уточненной количественной оценки напряженно-деформированных состояний литых деталей разработаны методы и модели на базе конструкторских и технологических программ CAE, связывающие формирование неоднородной структуры металлического материала в эффективном интервале кристаллизации с критическим снижением термостабильных и прочностных характеристик. Разработан расчетно-экспериментальный метод восстановления теплофизических свойств материалов в неограниченном температурном интервале с использованием алгоритма многомерной оптимизации, позволяющий дополнять электронные базы данных для уточненного компьютерного моделирования литейных технологий. Для трансляции в модели компьютерного анализа литых деталей разработан расчетный метод построения зависимости локального снижения прочности литейного сплава от технологической усадки с учетом микроструктуры.
5. С применением разработанных компьютерных методов и экспериментально исследованы сплавы на основе Fe-Ni-Co. Установлено, что внутрикристаллитная ликвация никеля влияет на эффективные теплофизические свойства литейных инваров и суперинваров. Построена модель влияния ликвации на ТКЛР, которая реализована в компьютерной программе и позволяет оптимизировать химический состав инварных сплавов в соответствии с за-данным служебным значением ТКЛР.
6. В рамках предложенной концепции консолидированного компьютерного анализа металлических материалов, процессов их получения и эксплуатации проведены натурные и компьютерные эксперименты с проволокой из упорядочивающихся по типу L10сплавов Pt50Ni25+xCu25-x; определены кинетические и энергетические параметры фазового перехода ГЦК-ГЦТ в зависимости от температуры отжига и химического состава; получены, аппроксимированы и использованы в компьютерном анализе напряженно- деформированных состояний кривые деформации; обоснованы технологические процессы, обеспечивающие получение комплекса резистивных и прочностных свойств. Показано, что сохранение текстуры деформации и волокнистой зеренной структуры в проволоке при отжиге ниже TKявляется, наряду с процессами упорядочения и возврата, ответственным за сочетание высоких прочностных и пластических свойств.
7. Результаты исследований и методических разработок использованы при выполнении проектных и опытно-конструкторских работ. Созданы консолидированные модели САЕ трех типов (модель на единой расчетной сетке, модель составной геометрии, модель с трансляцией данных между разнородными расчетными сетками) для компьютерного анализа технологий и деталей из сплавов с различным химическим и фазовым составом.
Подобные работы
- КОНСОЛИДИРОВАННЫЙ КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Диссертации (РГБ), машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 4385 р. Год сдачи: 2015
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
Каталог работ (152561)
- Бакалаврская работа (38868)
- Диссертация (978)
- Магистерская диссертация (22489)
- Дипломные работы, ВКР (62279)
- Главы к дипломным работам (2139)
- Курсовые работы (10693)
- Контрольные работы (6269)
- Отчеты по практике (1357)
- Рефераты (1488)
- Задачи, тесты, ПТК (631)
- Ответы на вопросы (155)
- Статьи, Эссе, Сочинения (942)
- Бизнес-планы (51)
- Презентации (106)
- РГР (84)
- Авторефераты (РГБ) (1692)
- Диссертации (РГБ) (1882)
- Прочее (458)
Новости
06.01.2018
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь в выполнении учебных и научных работ на заказ ОФОРМИТЬ ЗАКАЗ
дальше»» Все новости
Статьи
- Где лучше заказывать диссертации и дипломные?
- Выполнение научных статей
- Подготовка диссертаций
- Подводные камни при написании магистерской работы
- Помощь в выполнении дипломных работ
»» Все статьи
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
