Моделирование теплофизических свойств формовочных материалов решением обратной задачи теплопроводности

Теплофизические свойства формовочных материалов литейного производства обусловлены изменением связующих веществ в их составе при тепловом воздействии на технологическую оснастку, изготовленную из смесей на основе песка. В работе представлены результаты разработки алгоритма моделирования теплофизических свойств песчаных формовочных смесей, применяемых в литейной оснастке. При моделировании использовали решение обратной задачи теплопроводности методом Левенберга – Марквардта, предполагающим обращение в итерациях к результатам решения прямой задачи по вычислению нестационарного температурного поля. Прямую задачу нелинейной теплопроводности при затвердевании отливки в песчаной форме решали с помощью программы LVMFlow. Данные о температурном поле при затвердевании отливки из сплава АК7 в песчаной форме получали с использованием термопар. Выполнена оценка точности измерений температуры термопарами применительно к технологическим процессам литья в песчаную форму в зависимости от размеров отливки и температуры плавления литейного сплава. Для экспериментального определения температурных полей в отливках из алюминиевого сплава рекомендованы термопары с хромель-константановыми электродами. Предложен алгоритм для обработки температурных полей, измеренных термопарами в эксперименте по затвердеванию отливки в песчаной форме, и расчетных, полученных при моделировании идентичного литейного процесса в программе LVMFlow. Разработанный алгоритм, реализованный в программной среде SciLab, обеспечивает корректное построение матрицы Якоби. Полученные результаты могут быть использованы при компьютерном моделировании технологии литья с учетом теплофизических свойств материалов формы, что сокращает сроки разработки технологических процессов и оснастки.

1. Мартыненко С. В., Огородникова О. М. Компьютерное моделирование технологии изготовления отливки «Рама боковая» с использованием программы LVMFlow / Литейное производство. 2022. № 7. С. 23 – 28.

2. Мордасов С. А., Негуляева А. П., Чернышев В. Н. Контроль теплофизических характеристик строительных материалов адаптивным методом с использованием СВЧ-нагрева / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 2. С. 30 – 36. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-2-30-36

3. Князева А. Г. Теплофизические основы современных высокотемпературных технологий. — Томск: Томский политехнический университет, 2009. — 357 с.

4. Шорстов С. Ю., Мараховский П. С., Пахомкин С. И., Размахов М. Г. Исследование теплоемкости жаропрочного никелевого сплава ВЖМ4 методами дифференциальной сканирующей калориметрии, адиабатическим и калориметрии смешения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 12. С. 30 – 35. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-12-35-40

5. Dai S., Wang Y., Chen F., et al. Design of new biomedical titanium alloy based on d-electron alloy design theory and JMatPro software / Transactions of nonferrous metals society of China. 2023. Vol. 23(10). P. 3027 – 3032. DOI: 10.1016/S1003-6326(13)62829-0

6. Огородникова О. М. Напряженно-деформированное состояние металла в эффективном интервале кристаллизации / Литейное производство. 2012. ¹ 9. С. 21 – 24.

7. Okimura Y., Kato Y., Makino H., et al. Proposition of new yield criterion for green sand mold and its experimental validation by FEM stress analysis of triaxial compression test / Journal of materials processing technology. 2023. Vol. 318. 118020. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2023.118020

8. Jia Y., Zou Q., Chen X., et al. Study on heat transfer behavior and process optimization in differential phase electromagnetic DC casting of extra-large AZ31B alloy flat ingot: numerical simulation and experimental verification / Journal of materials research and technology. 2023. Vol. 24. P. 1108 – 1131. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.03.014

9. Голубкова Е. В., Комина И. Г., Чиканцева Е. И. Валидация и верификация методик измерений: мнения и взгляды / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 2. С. 77 – 80. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-2-II-77-80

10. Огородникова О. М., Мартыненко С. В. Расчетно-экспериментальная корректировка баз данных для компьютерного моделирования литейных процессов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81. № 10. С. 40 – 43.

11. Огородникова О. М., Рябов Д. Г., Радя В. С. Компьютерное моделирование теплового режима изложницы при кристаллизации слитков черновой меди / Цветные металлы. 2013. № 5. С. 89 – 93.

12. Новиков С. В., Смирнов А. В., Исаенкова М. Г., Ермакова Н. С. Исследование остаточных термических напряжений в твердосплавных покрытиях, полученных по электроимпульсной технологии / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. ¹ 11. С. 42 – 45. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-11-42-45

13. Oliveira A., Avrit A., Gradeck M. Thermocouple response time estimation and temperature signal correction for an accurate heat flux calculation in inverse heat conduction problems / International journal of heat and mass transfer. 2022. Vol. 185. 122398. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.122398

14. Wang Y., Qian Z. A quasi-reversibility method for solving a two-dimensional time-fractional inverse heat conduction problem / Mathematics and computers in simulation. 2023. Vol. 212. P. 423 – 440. DOI: 10.1016/j.matcom.2023.05.012

15. Огородникова О. М., Мартыненко С. В. Применение алгоритма Левенберга – Марквардта в компьютерном моделировании литейных дефектов / Дефектоскопия. 2015. ¹ 5. С. 63 – 68.

16. Ngendahayo J., Niyobuhungiro J., Berntsson F. Estimation of surface temperatures from interior measurements using Tikhonov regularization / Results in applied mathematics. 2021. Vol. 9. 100140. DOI: 10.1016/j.rinam.2020.100140

17. Zhou Y., Wei D., Wang Y., et al. Inverse estimation of unknown thermophysical properties of green facades using the Levenberg – Marquardt algorithm / Energy and Buildings. 2023. Vol. 292. 113179. DOI: 10.1016/j.enbuild.2023.113179

18. Bekele B., Bhaskaran J., Tolcha S., Gelaw M. Simulation and experimental analysis of re-design the faulty position of the riser to minimize shrinkage porosity defect in sand cast sprocket gear / Materials today: proceedings. 2022. Vol. 59. N 1. P. 598 – 604. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.12.090