CompMechLab Новости 20 Августа 2012 года
Данная новость была прочитана 3921 раз

CompMechLab® исследования. Конечно-элементное моделирование литья металла для новой модификации крупногабаритного транспортного упаковочного контейнера для хранения отработанного ядерного топлива из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

Логотип Лаборатории "Вычислительная механики" (CompMechLab)     Логотип ОАО НПО "ЦНИИТМАШ"

В 2011 г. специалисты Лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab®) НИУ СПбГПУ выполнили для ОАО НПО "ЦНИИТМАШ" на основе CAE-системы ProCAST конечно-элементное обоснование технологических параметров процесса литья металла в рамках проработки проекта создания новой модификации крупногабаритного транспортного упаковочного контейнера (ТУК) для хранения отработанного ядерного топлива из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Общий вид контейнера для хранения отработанного ядерного топлива
Общий вид контейнера для хранения отработанного ядерного топлива

Новый корпус контейнера должен обладать большей емкостью для накопления ядерных отходов, что обуславливает его существенно большие массогабаритные параметры по сравнению с предшествующими сериями. Так, длина нового корпуса составляет почти 6 м, а диаметр - около 2,5 м.

В ходе проработки были оценены технологические параметры для двух вариантов заливки: сифонной и дождевой, схемы заливки были предоставлены ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», каждая из которых представляет собой составной вертикальный металлический кокиль с установленным внутри полым стержнем. Сифонная литниково-питающая система (ЛПС) – многоуровневая литниковая система с тангенциальным подводом питателей к форме. Дождевая ЛПС – заливка осуществляется через прибыльные полости в несколько потоков, регулируемых стопорными клапанами.

Схемы заливки металла: сифонная, дождевая и модернизированная дождевая схема с  устанавливаемыми толстостенными трубами     Схемы заливки металла: сифонная, дождевая и модернизированная дождевая схема с  устанавливаемыми толстостенными трубами     Схемы заливки металла: сифонная, дождевая и модернизированная дождевая схема с  устанавливаемыми толстостенными трубами
Схемы заливки металла: сифонная, дождевая и
модернизированная дождевая схема с  устанавливаемыми толстостенными трубами

С целью детального анализа процесса заполнения литейной формы жидким металлом было выполнено конечно-элементное (КЭ) моделирование на основе 3-D CAD-моделей и численного решения сопряженных нестационарных нелинейных 3-D гидродинамической и тепловой задач. КЭ моделирование выполнено в CAE-системе ProCAST. Основные задачи КЭ моделирования:

  • оценка времени заполнения литейной формы жидким металлом с учетом особенностей формы и гидродинамики заполнения для обеспечения заданного минимального времени заполнения – 120 секунд;
  • оценка скоростей потоков в литниково-питающей системы при заполнении формы и выбор рациональной схемы заливки;
  • оценка величины усадки металла при затвердевании с целью определения количества и момента доливки прибылей;
  • оценка выполнения условий направленной кристаллизации отливки в форме и равномерности движения фронта;
  • исследование нестационарных нелинейных 3-D температурных полей кокиля, отливки и стержня в процессе заливки и последующего остывания отливки;
    оценка времени полного затвердевания отливки.

Моделирование процесса заливки корпуса сифонным способом: процесс заполнения литейной формы и скорость потока металла в выбранном сечении
Конечно-элементное моделирование (ProCAST-моделирование)
процесса заливки корпуса сифонным способом (нажатие на картинку запускает анимацию)

Моделирование процесса заливки корпуса сифонным способом: процесс заполнения литейной формы и скорость потока металла в выбранном сечении
Конечно-элементное моделирование (ProCAST-моделирование)
процесса заливки корпуса сифонным способом:
процесс заполнения литейной формы и скорость потока металла в выбранном сечении

Процесс изменения температурного поля литейной формы и отливки корпуса во времени при затвердевании металла (с учетом усадки металла, процессов теплопроводности, излучения и свободной конвекции на внешних стенках)
Нестационарный процесс изменения температурного поля литейной формы и отливки во времени
при затвердевании металла (с учетом усадки металла, процессов теплопроводности, излучения и
свободной конвекции на внешних стенках)

В работе была выполнена оценка эффективности применения модифицированной дождевой литниково-питающей системы, в которой была предложена установка охлаждаемых воздухом толстостенных стальных труб (один из возможных вариантов конструктивного исполнения). Данное конструктивное решение может сократить время остывания отливки в 5 раз и уменьшить общую массу жидкого металла более чем на 35%. Увеличенная скорость охлаждения отливки позволяет улучшить действие вводимых модификаторов в высокопрочный чугун для обеспечения структуры с шаровидным графитом, а сокращение объема жидкого металла существенно сократить себестоимость изделия.

Фронт затвердевания металла во времени для варианта с установленными толстостенными охлаждаемыми воздухом стальными трубами внутри отливки
Фронт затвердевания металла во времени для варианта с установленными
толстостенными охлаждаемыми воздухом стальными трубами внутри отливки

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® на основе результатов выполненных исследований.