Применение САПР «COSMOS Flo Works» для моделирования процессов динамических методов поверхностного пластического деформирования.

Гепта Дмитрий Петрович,
доцент кафедры «Технология машиностроения» АТИ (филиала) ДГТУ.

Исследование процессов упрочняющей обработки динамическими методами ППД, к которым относятся методы обработки деталей свободно движущимися телами, является весьма сложной задачей. Сложность её заключается в моделировании движения множества тел, взаимодействующих с обрабатываемой деталью, со стенками камеры, со смазочно-охлаждающей жидкостью или воздушной средой. К названным методам обработки можно отнести гидродробеструйный, пневмодинамический, виброударный. В качестве обрабатывающей среды там используются стальные шарики или стальная дробь.

Для решения таких задач с высокой степенью приближения к реальности необходимо смоделировать процесс с помощью системы автоматизированного проектирования (САПР), относящейся к системам автоматизации инженерных расчетов и анализа CAE (Computer-aided engineering). С этой точки зрения, представляет интерес система анализа движения и теплообмена текучей среды - COSMOS Flo Works, являющаяся приложением системы твердотельного моделирования (CAD - Computer-aided design) Solid Works.

В современных версиях COSMOS Flo Works (начиная с версии COSMOS Flo Works 2005) существует возможность расчета движения частиц в установившемся потоке текучей среды с помощью инструмента постпроцессора - Particle Study (расчет частиц). С помощью Particle Study можно показать траектории движения твердых частиц в текучей среде, рассчитать показатели взаимодействия частиц со стенками модели: суммарную интенсивность уноса материала стенки вследствие соударения с ней частиц или суммарную интенсивность налипания частиц на стенку. Значения интенсивности уноса или налипания на выбранной поверхности можно посмотреть после проведения расчета в окне Surfase Parameters (параметры на поверхности).

Примечание: Интенсивность наличия или эрозии не рассчитывается на поверхностях тела, являющегося пористой средой.

Дерево анализа COSMOS Flo Works
Рисунок 1.
Дерево анализа COSMOS Flo Works.

 

Модель текущей среды с жидкими или твердыми частицами в COSMOS-Flo Works предполагает сферические частицы постоянной массы, воздействие которых на течение пренебрежимо мало, при этом течение влияет на скорость и температуру частиц, что, в свою очередь, влияет на размер частиц. Для расчета частиц необходимо задать точки входа частиц в текучую среду, начальные параметры частиц (температура, диаметр, скорость; а для расчета налипания или эрозии также интенсивность появления частиц), материал частиц и условия взаимодействия частиц со стенками (отражение или поглощение). Если необходимо, можно также учесть влияние гравитации на движение частиц.

Постановка задачи расчета частиц полностью определяется в окне Particle Study (расчет частиц), вызываемом при выборе Flo Works / Results / Insert / Particle Study (Flo Works / Результаты /Вставить / расчет частиц).

На вкладе Injections (фракции) определяются фракции частиц, рассматриваемых в задаче. Фракция частиц (Injections) - это набор частиц одного и того же материала с одинаковыми начальными условиями, т.е. условиями, которые имеют частицы при входе в текучую среду (температура, диаметр, скорость). Также для фракции задается её суммарный массовый расход (количество массы частиц, вносимое данной фракцией в текучую среду в единицу времени), который используется для расчета суммарной интенсивности налипания частиц и эрозии стенки.

Окно Particle study (Расчет частиц)
Рисунок 2.
Окно Particle study (Расчет частиц).

 

Для задания фракции на вкладке Injections(фракции) окна
Particle Study (расчет частиц) надо щелкнуть Insert (Вставить). В появившемся окне Injection (фракция) на вкладке Definition (Задание) задаются точки входа частиц, а на вкладке Settings(Параметры) - начальные условия (Initial Conditions), материал (Particle material) и массовый расход фракции (Mass flow rate).

Подходящий способ задания точек входа частиц выбирается в списке Injections type (Тип фракции). Задания точек входа частиц через таблицу (Table) или равномерно на выделенном элементе (Reference) аналогично заданию точек, через которые проходят траектории линий тока. Можно также выбирать текстовой файл (File), в котором заданы координаты точки в Глобальной системе координат, компоненты вектора скорости (или значение скорости, если задается относительная скорость), значение температуры и интенсивность появления частиц (кг/с) в точке в одну строку через пробел.

Начальная скорость и температура всех частиц фракции могут быть заданы в абсолютных (тип Absolute) величинах, либо относительно значений скорости и температуры потока текучей среды в точках входа частиц (тип Relative). Абсолютное значение скорости и направление движения частиц определяется заданием компонентов вектора скорости. В случае задания относительной скорости (Velocitu condition type = Relative) указывается только значение скорости, т. к. в этом случае направление движения частицы совпадают с направлением движения потока в точке входа частицы. Аналогично, при задании относительной температуры (Temperature condition type = Relative) указанное значение температуры есть разница между температурой частицы и температурой потока в точке входа частицы.

На вкладке Boundary Condition (Граничные условия) определяются условия взаимодействия: полное прилипание (Absortion - свойственно каплям жидкости при не очень высоких скоростях соударений), идеальное (Ideal reflettion - угол падения равен углу отражения) или неидеальное отражение (Reflection). При неидеальном отражении задаются такие коэффициенты изменения нормальной и тангенциальной скорости en и eτ.

Неидеальное отражение частицы от поверхности модели

Рисунок 3. Неидеальное отражение частицы от поверхности модели. 

           ;                 

По умолчанию на всех поверхностях модели задано условие прилипания. Чтобы изменить это условие для всех поверхностей, надо выделить <Default> (<По умолчанию>) и нажать Edit (Изменить). Чтобы задать условие взаимодействия частицы со стенкой, отличное от используемого по умолчанию, для какой-то конкретной стенки, нажать Insert (Вставить).

На вкладке Computational Domain (Область расчета) задаются координаты, ограничивающие область, в которой будет проведен расчет частиц. По умолчанию расчет будет проведен во всей расчетной области.

На вкладке Settings (Параметры) определяются критерии, ограничивающие длину траекторий частиц: Максимум interation count (Максимальное число переходов) - траектория частицы обрывается по движению заданного числа переходов между точками ( траектория частицы определяется последовательным переходом от одной точки к другой на расстояние, зависящее от скорости в данной точке и шага по времени), критерии Максимум length и Максимум time работают так же, как и для траекторий линий тока.

На вкладке Physical Models(Физические модели) можно учесть влияние гравитации (Gravity), задав вектор гравитации, и включить расчет интенсивности налипания частиц (Calkulate Total Accumulation Mass Rate) или интенсивности эрозии стенки (Calkulate Total relative Mass Rate).

В случае расчета эрозии, если необходимо, можно задавать зависимость интенсивности эрозии от угла падения частиц (Function of impact angel), относительной скорости падения частицы (Function of relative particle velocity), и диаметра частицы (Function of particle diameter), в общем случае, скорость стенки может быть не равна нулю. Зависимости задаются в виде таблиц при нажатии на кнопку Design (Задание). Если имеющиеся у пользователя зависимости приведены в системе единиц, отличной от системы единиц, используемой в проекте, можно задать коэффициент пропорциональности (Coefficient K).

На вкладке Save Options (Установки сохранения) выбираются физические параметры частиц (координаты точек траекторий и значения в них скорости, длина траектории, температура и др.), которые будут доступны для просмотра после завершения расчета частиц. При желании значения выбранных параметров частиц (Particle parameters) и параметров потока текучей среды (Fluid parameters) в точках траекторий частиц можно сохранить в текстовый файл сразу после завершения расчета частиц.

Траектории частиц различной массы  в коллекторе
Рисунок 5.
Траектории частиц различной массы
в коллекторе.

 

Окно Particle study Results  (Результаты Расчета частиц)
Рисунок 4.
Окно Particle study Results
(Результаты Расчета частиц).

 

Для запуска расчета частиц надо нажать Run (Запустить). После окончания расчета в дереве анализа COSMOSFlo W
orks появится новый элемент - Particte Stydy n, где n - порядковый номер задачи расчета частиц. Чтобы посмотреть результаты расчета, надо щелкнуть правой кнопкой мыши на этом элементе и выбрать View results (Просмотр результатов).

Примечание: В одном проекте может находиться сколь угодно много различных постановок задач расчета частиц. Однако просмотр результатов возможен только для активной задачи. Чтобы активизировать задачу, в Дереве анализа щелкните правой кнопкой мыши на названии задачи и выберете Activate Particie Study (Активизировать задачу расчета частиц).

 

 

 

 

Литература

  1. Алямовский А.А., Собачкин А.А., Одинцов Е.В. и др. Solid Works. Компьютерное моделирование в инженерной практике. СПб.:БВХ-Петербург, 2006.
  2. Бабичев А.П., Бабичев И.А. Основы вибрационной технологии. Ростов-на-Дону. Издательский центр ДГТУ, 1999.
  3. Лебедев В.А. Технология динамических методов поверхностно-пластиче­ской деформации. Ростов-на-Дону. Издательский центр ДГТУ, 2006.




Создание сайтов,
продвижение сайтов: WEB-TRIO
©2008 Гепта Дмитрий Петрович
При использовании материалов сайта ссылка на автора обязательна.