Построение расчетной сетки коаксиального сопла



ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

 

Обучающегося____Сераевой Наили Ражабовны_________________________

(Ф.И.О.)

 

Группы____________________________________________________________

(Номер группы)

 

Направления/специальности12.04.05 Лазерная техника и лазерные технологии

(Шифр НПС, наименование)

 

Института (факультета), филиала, отделения СПОФизико-математический

 

Период практики с « __» ________ 201__ г. по « __» ________ 201__ г.

 

Место прохождения практики Кафедра Лазерных технологий, КАИ-Лазер(Наименование организации, предприятия / наименование подразделения организации, предприятия)

 

 

Вид практики:

[ ] учебная

[] производственная

[ ] производственная (преддипломная)

 

Руководитель практики КНИТУ-КАИ   Руководитель практики от предприятия (при прохождении производственной, преддипломной практики)  
________________________________ (подпись / Ф.И.О.)   ________________________________ (подпись / Ф.И.О.)  
________________________________ (должность) ________________________________ (должность)

Задание руководителяпрактики отуниверситета:

Овладеть способностью к абстрактному мышлению, обобщению и анализу
Выявить приоритеты решения задач, выбрать и создать критерии оценки
Разработать математические модели коаксиальных сопел и выбрать численный метод их моделирования
В полной мере использовать иностранный язык в профессиональной сфере
 

Задание руководителяпрактики отпредприятия (заполняется для производственной, преддипломной практики):

Овладеть разработкой технических заданий на проектирование приспособлений
Разработать методы инженерного прогнозирования и диагностические модели состояния лазерных приборов, систем и комплексов впроцессе их эксплуатации
 

Задание получил, ознакомлен и согласен:

          

_________________________________ / Сераева Н.Р.__________________ (подпись / Ф.И.О. обучающегося)
 

«______________ 201_ г.

ВВЕДЕНИЕ

1.Компетенции, формируемые в результате прохождения практики:

ОК-1 – способностью к абстрактному мышлению, обобщению, анализу, систематизации и прогнозированию;

ОПК-1 – способностью формулировать цели и задачи исследования, выявлять приоритеты решения задач, выбирать и создавать критерии оценки;

ОПК-3 –способностью использовать иностранный язык в профессиональной сфере;

ПК-1 –способностью разрабатывать математические модели объектов исследования и выбирать численный метод их моделирования (анализа), разрабатыватьновый или выбирать готовый алгоритм решения задачи;

ПК-2 –способностью выбирать оптимальный метод и разрабатывать программы экспериментальных исследований, проводить оптические, фотометрические иэлектрические измерения с выбором необходимых технических средств и обработкой полученных результатов;

ПК-10 –способностью разрабатывать технические задания на проектирование приспособлений, оснастки и специального инструмента, предусмотренныхтехнологией;

ПК-13 –способностью разрабатывать методы инженерного прогнозирования и диагностические модели состояния лазерных приборов, систем и комплексов впроцессе их эксплуатации.

 

2.Индивидуальное задание на практику

Овладеть способностью к абстрактному мышлению, обобщению и анализу. Выявить приоритеты решения задач выпускной квалификационной работы, выбрать и создать критерии оценки.Разработать математические модели коаксиальных сопел и выбрать численный метод их моделирования. Овладеть разработкой технических заданий на проектирование приспособлений. Разработать методы инженерного прогнозирования и диагностические модели состояния сопел для лазерной наплавки.

 

3.Место прохождения практики

Кафедра Лазерных технологий, КАИ-Лазер________________________

                       

4.Время прохождения практики

Дата начала практики   «____»_______________20___г.

Дата окончания практики «____»_______________20___ г.

 

5.Должность на практике

Практикант________________________________________________________

(практикант, стажер, помощник, конкретная должность)


 

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ОТЧЕТА

Преимущества и недостатки лазерных аддитивных технологий

Помимо видимого преимущества скорости изготовления изделий и, очень часто, в стоимости их изготовления, лазерные технологии имеют очень важное достоинство с точки зрения охраны окружающей среды и, в частности, эмиссии парниковых газов и теплового загрязнения. Аддитивные технологии имеют огромную способность в деле снижения энергетических затрат на создание самых разнообразных видов продукции. И наконец, степень использования AM-технологий в материальном производстве является верным индикатором реальной индустриальной мощи

Одно из основных преимуществ аддитивного производства по сравнению с традиционными процессами в том, что при изготовлении ряда деталей можно избавиться от некоторых технологических процессов. Можно, например, изготовить деталь целиком, так что отпадет необходимость в сборке. Это становится возможным, поскольку 3D печать позволяет изготавливать очень точные детали со сложной геометрией и сложными проходными сечениями.

Недавно ШекуКамара, директор консорциума по быстрому прототипированию в Инженерно-машиностроительной школе университета Милуоки, представил презентацию, в которой рассказал о производственной практике, проведенной в этом университете. В 2002 году там была сконструирована и изготовлена методами 3D печати задвижка с возвратно-поступательным движением штока. Были исследованы свойства получившегося изделия в сравнении с обычной задвижкой. Испытания показали, что изготовление подвижных деталей, цельных о-образных уплотнительных колец и резьбовых присоединительных концов арматуры – это вполне посильная задача; прототип самой задвижки был изготовлен целиком методом фотополимеризации. Тем самым показано, что этим методом возможно создать полноценные прототипы арматуры. А еще этот метод позволяет делать прототипы из полупрозрачных полимеров, так что можно следить за течением среды в арматуре (будь она жидкой, газообразной или вязкой, как нефть): испытатель видит всё, что происходит внутри. Использование 3D печати во вспомогательном производстве арматуры также обсуждается и уже происходит. Натан Ван Беселар, инженер-технолог по литью AmericanFoundryGroup, утверждает, что 3D печать – это первая настоящая инновация в сфере литья в песчаные формы за последние 200 лет. И, хотя эта технология пока достаточно дорогая в сравнении с традиционными, потрачено уже немало времени и сделано немало шагов в этом направлении. Ван Беселар обращает внимание на преимущества использования АМ-технологий для создания литейных форм для арматуры. «Пропадают ограничения для литниковой системы, расширяются возможности геометрии литья, сохраняется высокая точность при замене марок материалов», – говорит он. И «хотя 3D принтер имеет определенный размер, размер изделия не ограничен емкостью его рабочей камеры. Литейную форму можно изготовить по частям и соединить, чтобы получить нужный размер». Однако он в тоже время указывает и на ограничения. «Нельзя напечатать изоляцию, хотя можно вставлять изоляционные рукава в раззенкованные под них отверстия в форме», – говорит он. К тому же лишний песок нужно выбить из формы, созданной с применением 3D печати, «и хотя мы сейчас изучаем разные варианты добавок к кварцевому песку, пока успеха не достигли», – добавляет он. Времени процесс формовки с использованием АМ-технологий занимает явно меньше, но цены – запредельные. Однако, Дин Маркл, специалист по литью компании EmersonProcessManagement, работающий в литейном производстве уже более 30 лет, видит варианты, при которых мог бы появиться экономический эффект. Например, если модельная оснастка нужна разовая, а потому очень дорогая. «Если вам требуется заменить клапан, который уже 30 лет как не выпускается, но вам нужен именно он, то применение аддитивных технологий куда более эффективно, чем традиционных», – отмечает он. Вместо того, чтобы уповать на возможно где-то существующую 2D модель, «мы за несколько дней сделаем 3D модель, оснастим и запустим ее», и заимеем нужный клапан гораздо быстрее, говорит Маркл. АМ-технологии имеет смысл применять, если некая редкая деталь нужна где-то далеко. «Вы можете переслать файл в электронном виде в любую часть света, где у вас есть партнеры-литейщики, использующие АМ-технологии, и деталь будет изготовлена прямо там, на месте». Другими словами, «вместо того, чтобы высылать образец с одного литейного производства на другое, вы просто готовите и высылаете 3D модель, и вам больше не надо тратиться на доставку модели клапана туда, где он нужен», – уточняет он. По мнению Дэвида Ли, старшего вице-президента компании StratasysDirectManufacturing, аддитивное производство может иметь ряд других преимуществ, включая существенную экономию массы многих изделий6 . Технология позволяет объединить изготовление деталей или сократить расходы при производстве небольших партий, одиночных деталей или запасных частей. После того как изделия будут проверены и подогнаны под требования заказчика, АМ-технологии могут сэкономить время и деньги благодаря ускоренному появлению изделий на рынке. Г-н Ли также утверждает, что продукцию аддитивного производства может оказаться легче использовать и устанавливать. «Не нужно беспокоиться о лишних выступах и впадинах, о литниках и порах, можно сосредоточиться на функциональности изделия, забыв об ограничениях со стороны оснастки и инструмента», – говорит он. А поскольку таких ограничений нет, «можно спроектировать самые сложные контуры внутренних поверхностей, и изготовить требуемое как единую деталь, а не как несколько частей, которые придется потом собирать», – добавляет он.

Утверждение звучит странно. Возможно, сущность сказанного исказилась при изложении, а имелось в виду, что с помощью АМ-технологий существенно экономится материал за счет резкого сокращения отходов (прим. ред.). Джеймс Сирс, старший инженер-механик лаборатории аддитивного производства компании GE GlobalResearch, обращает внимание на то, что применение АМ-технологий вдвое снижает энергопотребление, а впоследствии нет необходимости в удалении излишка металла, можно снизить затраты на приобретение материалов на 90% в сравнении с традиционными технологиями производства.

При том, что АМ-технологии имеют немало достоинств, есть и определенные ограничения по их использованию. Как отметил господин Ли, очень высока стоимость промышленных принтеров, производителей таких установок мало, и с их стороны отсутствует поддержка выполнения новых опытно-конструкторских работ. Расходные материалы также дороги, а возможности их повторного использования в производственном процессе ограничены. К тому же рабочие допуски для продукции аддитивного производства меньше, чем для заготовок, подлежащих механической обработке. Чтобы выдержать размеры и внешний вид, нужна обработка после изготовления, при этом может иметь место анизотропия. В случае «изготовления по мере надобности» на месте встает вопрос о защите прав интеллектуальной собственности патентообладателя. Проблемы возникают оттого, что АМ-технологии развиваются слишком быстро, и за ними не поспевают ни правовые, ни социальные структуры, деятельность которых должна быть направлена на создание и разработку инструментов, защищающих права заинтересованных сторон. М-р Сирс уточняет, что решение всех вопросов квалификации материалов для аддитивного производства обходится очень дорого и может занимать пять и более лет. Он говорит, что особенно важно разбираться в процессе взаимодействия лазера и используемого материала. Надо понимать, в частности, как поглощается энергия внутри порошкового слоя, как размер и расположение частиц влияет на кинетику расплава и долю поглощенной мощности лазера. В процессе 3D печати могут иметь место неравномерности в термических процессах, приводящие к трещинам или к искажениям формы и размеров. Все эти проблемы следует оценить в сопоставлении с обычными технологиями, где вначале делается заготовка грубой формы, которая затем обрабатывается резанием с целью удаления лишнего. Свойства материала при обычном производстве известны и не могут меняться, тогда как при послойном синтезе свойства материала создаются вместе с изделием. В этом есть и плюсы, и минусы. Ведь коли свойства материала формируются прямо в процессе производства, их можно задавать, делая разными в разных местах изделия.

Построение расчетной сетки коаксиального сопла

Создана расчетная пространственная сетка коаксиального сопла для лазерной наплавки, модель Precitec YC52, максимально точно учитывающая форму поверхности и габариты реальной системы. Детально смоделировано внутреннее строение головки лазерной наплавки, включая каналы системы подачи защитного и несущего газов, конусообразный рассекатель внутреннего потока и кольцевое отверстие выхода газа с взвешенными в нем частицами. Осесимметричные части геометрии сгенерированы в виде NURBS-поверхностей, представляющие собой тела вращения профиля вертикального среза стенок коаксиального сопла, как показано на рис. 1 (а). Переход к заданной сплайнами NURBS-геометрии вызван необходимостью совершения сложных логических операций вычисления объединения, разности и пересечения объемов расчетного домена.

Рис. 1. а) Непрерывная аналитическая сплайновая (NURBS) внешняя поверхность системы YC52 без коаскиальной насадки. Черными крестиками показаны опорные точки сплайнов. б) Вариант дискретной сетки поверхности с насадкой. в) Трехмерная объемная сетка, полученная логическим вычитанием объема, ограниченного поверхностью сопла из кубического объема, заполненного газом. Четыре трубки ввода частиц обрезаны для ускорения расчетов. Зеленым цветом показаны поверхности для задания входных потоков газа.

Аналогичные операции для триангулированной (то есть, заранее дискретной) поверхности оказались невозможны без значительных погрешностей, приводящих к появлению «висячих узлов» и расхождению симуляции газовой динамики. Непрерывная NURBS-сетка затем была скорректирована на основании данных пространств.енного трехмерного лазерного сканирования головки сопла.

По полученной сетке для поверхности сопла, пространственной экспансией создана полная трехмерная объемная расчетная сетка (рис. 2), которая состоит из 3 млн. гибридных ячеек: тетраэдрических и гексагональных с преобладанием последних. Цветами показаны домены, отвечающие за внутренние конусы и пространство, занимаемое в них газом. Для удобства последующих расчетов, домены, отвечающие за твердое тело (медь, сталь) и домены с газом были сгруппированы таким образом, что финальная сетка состоит из двух доменов: твердый и жидкий. Поскольку, в модели можно пренебречь теплопередачей между газом и стенками самой насадки, соответствующий твердый домен исключается из рассмотрения. Это уменьшает кол-во ячеек сетки на 30%, ускоряя расчеты. При этом количество слоев ячеек в двух кольцевых зазорах между конусами сопла составляет 20 в самом узком месте и 40 в широком. Закон расширения размеров ячеек сетки в пространство: линейный.

Для эффективного моделирования взаимодействия лазерного пучка с поверхностью металла, где производится наплавка, расстояние от металла до конца коаксиального сопла поделено на 40 слоев ячеек сетки. Такой пограничный слой обеспечивает хорошую детализацию численного решения системы уравнений Навье-Стокса и уравнения теплопроводности в зоне действия лазерного луча.

Рис. 2. Поперечное сечение пространственной расчетной сетки для коаксиального сопла YC52.

Частицы вводятся с газом (аргон) по 4 симметричным каналам, суммарный расход газа через которые составляет 16 л/мин. Центральный канал с лазерным лучом также продувается аргоном (расход = 2 л/мин) во избежание попадания частиц на оптику, которая формирует лазерный пучок.

Расстояние между нижним концом сопла и поверхностью наплавки изначально было задано равным 4 см – это достаточно много и непригодно для практических целей, однако позволяет определить область фокусировки газовых струй. Наши расчеты газовой динамики показали, что область фокусировки соответствует расстоянию 7.5 мм. В дальнейшем для моделирования частиц сетка была перестроена так, чтобы расстояние между концом сопла и поверхностью титана сало равно рассчитанному, 7.5 мм. Тем самым, используется две отдельных расчетных сетки.


 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Во время научно-исследовательской работы в полной мере овладели способностью к абстрактному мышлению, обобщению и анализу. Выявили приоритеты решения задач, выбрали и создали критерии оценки.

Также были разработаны математические модели коаксиальных сопел и выбран численный метод их моделирования. Овладели разработкой технических заданий на проектирование приспособлений. Разработаны методы инженерного прогнозирования и диагностические модели состояния лазерных приборов, систем и комплексов впроцессе их эксплуатации.

Во время научно-исследовательской работы в полной мере использовали иностранный язык в профессиональной сфере.

 

 


Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 80;