РАСЧЕТ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ПЛОСКОЙ ОТЛИВКИ
В МАССИВНОЙ ФОРМЕ
СОДЕРЖАНИЕ
Содержание
Задание
Постановка задачи
1. Графическое представление
2. Математическая формулировка задачи
Метод расчета
Схема апроксимации
Алгоритм расчета
Идентификаторы
Блок-схема
Программа
Сравнение с инженерными методами расчета
Результаты расчета
ЗАДАНИЕ
Отливка в виде бесконечной плиты толщиной 2Lo=30 мм
Сплав: Латунь (10% Zn).
Форма: Песчано-глинистая объемная сырая (ПГФ).
Индексы: 1-Метв, 2- Меж, 4-форма.
а1=3,6?10-5 м2/с
а2=2,1?10-5 м2/с
?1=195 Вт/м?К
?2=101 Вт/м?К
?1=8600 кг/м3
?2=8000 кг/м3
L=221000 Дж/кг
b4=1300 Вт?с1/2/(м2?К)
Tф=293 К
Ts=1312,5 К
Tн=1345 К
N=100
et=0,01 c
eТ=0,01 oC
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
1. Графическое представление
Принимаем следующие условия:
Отливка в виде бесконечной плиты толщиной 2Lo затвердевает в объемной массивной песчано-глинистой форме. Принимаем, что теплофизические характеристики формы и металла постоянны и одинаковы по всему объему, системы сосредоточенные, геометрическая ось совпадает тепловой и поэтому можно рассматривать только половину отливки. Lo (21)
Условие идеального контакта на границе отливка форма
(22)
Расчет временного шага :
Величина -varрассчитывается из условия, что за промежуток временифронт перейдет из точки nf в точку nf+1
Расчет ведут итерационными (пошаговыми) методами
Строим процедуру расчета следующим образом:
Вычисляем нулевое приближенное для каждого шага,
За шаг итерации примем S,
Нулевое приближение S=0.
(23)
Уточняем шаг: S+1
(24)
d – параметр итерации от 0 до 1
для расчета возьмем d=0.
Число S итераций определяется заданной точностью:
Временного шага (25)
И по температуре(26)
etи eT – заданные точности по времени и температуре
et=0,01c, eT=0,1?C
?tI=0,01c – время за которое образовалась корочка.
Описанный итерационный процесс называют ''Ловлей фазового фронта в узел''.
Можно задать ?х, ?tK=const, тогда неизвестно будет положение фронта, при помощи линейной интерполяции.
Расчет температурных полей:
Метод «прогонки»:
Считается наиболее эффективным для неявно заданных конечно-разностных задач.
Суть метода:
Запишем в общем виде неявно заданное конечноразностное уравнение второго порядка (14) в общем виде:
AiTi-1 – BiTi + CiTi+1 + Di = 0 ; i = 2, 3, 4, …n-1 (27)
действительно для всех j и k.
и краевые условия для него:
T1 = p2T2 + q2(28 а)
Tn = pnTm-1 + qn(28 б)
Ti = f(Ai; Xi; tk) - сеточное решение.
Ai, Bi, Ci, Di – известные коэффициенты, определенные их условий однозначности и дискретизации задачи.
Решение уравнения (27) – ищем в том же виде, в котором задано краевое условие (28 а)
Ti = аi+1Ti+1 + bi+1 ; i = 2, 3, 4, …n-1 (29)
Ai+1, bi+1 – пока не определенные «прогоночные» коэффициенты (или коэффициенты разностной факторизации)
Запишем уравнение (29) с шагом назад:
Ti-1 = аiTi + bi(30)
Подставим уравнение (30) в уравнение (27):
Ai(aiTi + bi) – BiTi + CiTi+1 + Di = 0
Решение нужно получить в виде (29):
(31)
Найдем метод расчета прогоночных коэффициентов.
Сравним уравнение (29) и (31):
(32)
(33)
(32),(33)– рекуррентные прогоночные отношения позволяющие вычислить прогоночные коэффициенты точке(i+1) если известны их значения в точке i.
Процедура определения коэффициентов аi+1 и bi+1 называется прямой прогонкой или прогонкой вперед.
Зная коэффициенты конечных точек и температуру в конечной точке Тi+1 можно вычислить все Тi.
Процедура расчета температур называется обратной прогонкой. То есть, чтобы вычислить все Т поля для любого tk нужно вычислить процедуры прямой и обратной прогонки.
Чтобы определить начальные а2и b2, сравним уравнение (29) и уравнение (28 а):
a2 = p2;b2 = q2
Запишем уравнение 29 с шагом назад:
Tn = pnTn-1 + qn
Tn-1 = qnTn + bn
(34)
Новая задача определить pn , qn
Вывод расчетных формул:
Преобразуем конечноразностное уравнение (14) в виде (27)
, j=1,2 (35)
относиться к моменту времени k
Из (35) => Ai=Ci= Bi=2Ai+ Di= (36)
Определим значения коэффициентов для граничных условий:
на границе раздела отливка-форма
(37)
приведем это выражение к виду (28 а)
отсюда (38)
b2=q2= a2=p2=1 (39)
на границе раздела Meтв - Меж
из (29), Tnf=Tn=> anf+1=0, bnf+1=Ts (40)
условие на оси симметрии
Tn-1=Tn в соответствии с (21)
pn=1, qn=0 (41)
подставив (41) в (34) получим
(42)
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА
1) Определить теплофизические характеристики сред, участвующих в тепловом взаимодействии ?1, ?2, ?1, ?2, L, а1, а2, Тs, Тн, Тф.
2) Определить размеры отливки, параметры дискретизации и точность расчета
2l0=30 мм, l0=R=15 мм=0,015 м
n=100,
первый шаг по времени: ?t1=0,01 с, t=t+?t
еt=0,01 с, et=0,1 оC
3) Принять, что на первом временном шаге к=1, t1=?t1, nf=1, Т1=Т3, Тi=Тн, , i=2,…,n, Т4=Тф
4) Величина плотности теплового потока на границе раздела отливка – форма
(43)
, s=0, (нулевое приближение)
к=2,(44)
5) Найти нулевое приближение ?tк, 0 на к-том шаге
переходnf ? i ? i+1 по формуле (23)
6) Найти коэффициенты Ai, Сi, Вi, Di по соответствующим формулам для сред Метв. и Меж. В нулевом приближении при s=0
7) Рассчитать прогоночные коэффициенты ai+1, bi+1 для Метв. и Меж., s=0 с учетом что Тnf=Тз.
Т1=р2Т2+g2
Тi=а2Т2+в2
Найти а2 и в2:
а2=1, (45)
(46)
ПРОГРАММА
CLEAR , , 2000
DIM T(1000), T1(1000), AP(1000), BP(1000), Vox(1000), N$(50)
2 CLS
N = 100: KV = 50: N9 = 5: L = .015
TM = 293: TI = 1345: TS = 1312.5
BM = 1300: a1 = .000036: a2 = .000021
TA0 = .01: ETA = .01: E = .01
l1 = 195: l2 = 101
R0 = 8600: LS = 221000
AF = 0: Pi = 3.14159265359#
3 PRINT "Число шагов N, штук"; N
PRINT "Длина отливки L, м"; L
PRINT "Температура формы Tf, К"; TM
PRINT "Начальная температура сплава Tн, К"; TI
PRINT "Температура затвердевания Tz, К"; TS
PRINT "Bф "; BM
PRINT "Первый шаг по времени, Tk0 "; TA0
PRINT "Точность по времени, Еt "; ETA
PRINT "Точность по температуре, ЕТ "; E
PRINT "Температуропроводность Ме твердого, а1 "; a1
PRINT "Температуропроводность Ме жидкого, а2 "; a2
PRINT "LS= "; LS
PRINT "Коэф. теплопроводности, l1 "; l1
PRINT "Коэф. теплопроводности, l2"; l2
PRINT "Плотность Ме твердого, р1 "; R0
INPUT "Изменить данные "; QV$
IF QV$ = "Y" THEN GOSUB 222
48N1 = N - 1
DX = L / (N - 1)
A = a1 / DX ^ 2
B1 = 2 * A
RL = R0 * LS * DX
NF = 1
B2 = l1 / DX
KV1 = 1
AL = a2 / DX ^ 2
BL1 = 2 * AL
BL2 = l2 / DX
T(1) = TS
T1(1) = TS
FOR i = 2 TO N
T(i) = TI
T1(i) = TI
NEXT i
TA = TA0
K = 1
dta = .01
GOTO 103
FOR i = 2 TO NF1
B = B1 + DTA1
f = DTA1 * T1(i)
B4 = B - A * AP(i - 1)
AP(i) = A / B4
BP(i) = (A * BP(i - 1) + f) / B4
NEXT i
23FOR i = NF1 TO 1 STEP -1
TC = AP(i) * T(i + 1) + BP(i)
B = ABS(TC - T(i)) / TC
IF B > Et THEN Et = B
T(i) = TC
NEXT i
AP(NF) = 0
BP(NF) = TS
B = BL1 + DTA1
FOR i = NF2 TO N
f = DTA1 * T1(i)
B4 = B - AL * AP(i - 1)
AP(i) = AL / B4
BP(i) = (AL * BP(i - 1) + f) / B4
NEXT i
IF NF = N THEN GOTO 34
TC = BP(N) / (1 - AP(N))
B = ABS(TC - T(N)) / TC
T(N) = TC
IF B > Et THEN Et = B
IF NF >= N1 THEN GOTO 34
FOR i = N1 TO NF2 STEP -1
TC = AP(i) * T(i + 1) + BP(i)
B = ABS(TC - T(i)) / TC
IF B > Et THEN Et = B
T(i) = TC
NEXT i
IF (P3 > ETA) OR (Et > E) THEN GOTO 102
80TA = TA + dta
IF NF = 1 THEN dta = TA0
Vox = (T1(NF) - TS) / dta
FOR i = 1 TO N
Vox(i) = (T1(i) - T(i)) / dta
T1(i) = T(i)
NEXT i
VS = DX / dta
Xf = (K - 1) * DX
IF K KV1 + 1 THEN GOTO 33
KV1 = KV1 + KV
GOSUB 777
33GOTO 105
103 PRINT "РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА": CLS : GOSUB 777
105 IF K < N THEN GOTO 101>
GOSUB 777
Vz = 1000 * L / TA
Voxl = (TI - TS) / TA
PRINT "Полное время затв. отл. TA="; TA; "с."
PRINT "Ср. скорость охл. на оси отл. Voxl="; Voxl; " K/с"
PRINT "Ср. скорость затв. отл. Vz="; Vz; " мм/с"
END
777 PRINT "К="; K; " DTA="; dta; "VS="; VS * 1000; " мм/с XF="; Xf; " мм"
PRINT "T="; T(1); : FOR i = 1 TO 10: PRINT T(i * 10); : NEXT i: PRINT "K"
PRINT "Vox="; Vox(1); : FOR i = 1 TO 10: PRINT Vox(i * 10); : NEXT i: PRINT "K/c"
RETURN
222 CLS
INPUT "Число шагов N, штук"; N
INPUT "Длина отливки L, м"; L
INPUT "Температура формы Tf, К"; TM
INPUT "Начальная температура сплава Tн, К"; TI
INPUT "Температура затвердевания Tz, К"; TS
INPUT "Bф "; BM
INPUT "Первый шаг по времени, Tk0 "; TA0
INPUT "Точность по времени, Еt "; ETA
INPUT "Точность по температуре, ЕТ "; E
INPUT "Температуропроводность Ме твердого, а1 "; a1
INPUT "Температуропроводность Ме жидкого, а2 "; a2
INPUT "LS= "; LS
INPUT "Коэф. теплопроводности, l1 "; l1
INPUT "Коэф. теплопроводности, l2"; l2
INPUT "Плотность Ме твердого, р1 "; R0
CLS
GOTO 3
RETURN
СРАВНЕНИЕ С ИНЖЕНЕРНЫМИ МЕТОДАМИ РАСЧЕТА
Г. Ф. Баландин для расчета продолжительности затвердевания отливки эвтектического сплава предложил следующие выражения:
-время заливки
-время снятия перегрева
-время затвердевания
Принимаем Tзал=TL+70, Тн=1/2(Tзал+ТL)
Расчет:
с
с
c
Скорость затвердевания во времени характеризуется следующим выражением:
, где ?Е=(ТЕ-Тф)