Большинство отраслей современного производства активно внедряют компьютерные технологии. Не являются исключением и литейно-металлургические подразделения предприятий. Многие передовые предприятия данной отрасли производства в последнее десятилетие все активней внедряют в технологический процесс виртуальный инжиниринг литейных и металлургических процессов, поэтому востребованность выпускников вуза, способных применять информационно-компьютерные продукты в профессиональной деятельности (в педагогической работе, в технологических разработках) не оставляет сомнений.
При подготовке бакалавров по профилю «Металлургия» в большинстве вузов уделяется недостаточно внимания освоению технологий моделирования процессов получения заготовок и виртуального инжиниринга. В основном изучение компьютерных технологий ограничивается курсом «Начертательная геометрия и компьютерная инженерная графика» в рамках которого студенты знакомятся с ограниченной областью использования компьютера (создание чертежей и, иногда, построение 3D-моделей).
Изучение дисциплины «Математическое моделирование технологических процессов» и подобных дисциплин в большинстве случаев ограничивается решением задач с использовании MS Excel или различных программных разработок, написанных преподавателями отдельной кафедры отдельного вуза, и мало пригодными для использования в условиях производства, так как они имеют весьма ограниченный функционал и возможности. Современные системы моделирования и виртуального инжиниринга литейных и металлургических процессов, такие как ПО ProCast компании ESI Group, в Российских вузах в рамках подготовки бакалавров применяются крайне редко.
Для решения задачи формирования у бакалавров (профиля подготовки «Металлургия») компетенций по моделированию и инжинирингу технологических процессов получения металлических заготовок следует использовать программные продукты которые наиболее распространены на Российских предприятиях металлургической отрасли, что, несомненно сделает выпускников вуза наиболее востребованными у будущих работодателей.
Наибольшее предпочтение российские литейщики отдают программному продукту французской компании ESI Group – ProCast. Не смотря на то, что данный продукт является зарубежной разработкой он имеет ряд преимуществ по сравнению с российскими и другими западными аналогами:
- Русифицированный интерфейс.
- Работа решателя основана на методе конечных элементов, что позволяет очень точно описать геометрию отливки и приграничных областей, дает более точный результат при решении задач напряженно-деформированного состояния отливки в отличии от метода конечных разностей, а также позволяет дифференциально изменять размер ячеек, что способствует повышению точности расчета и его ускорению.
- Более широкий спектр моделируемых видов литья.
- Наличие специализированного термодинамический модуль для расчета тепловых и механических свойств сплавов по требуемому химическому составу.
В ПО ProCast выполняется моделирование различных видов литейных технологий, таких как:
- Литье в песчаные формы.
- Литье в кокиль.
- Литье в оболочковые формы.
- Литье по выплавляемым моделям.
- Литье под высоким давлением.
- Литье под регулируемым газовым давлением (включая литье под низким давлением, с противодавлением и вакуумным всасыванием).
- Литье по газифицируемым моделям.
- Центробежное литье.
- Непрерывное и полунепрерывное литье.
- Тиксолитье (литье металла в твердожидком состоянии).
Преимущество ProCast в том, что система позволяет выполнить расчёт таких параметров при проектировании технологии изготовления отливок, как:
- Напряженно-деформированное состояние отливки и металлической оснастки.
- Реальных короблений отливки, воздушных зазоров между отливкой и формой, учет его теплового сопротивления, определение взаимного влияния отливки и формы.
- Расчет тепловой задачи, включая процессы кристаллизации и образования усадочных дефектов.
- Расчет пористости и усадки, с учетом растворенных в металле газов.
- Прогнозирование размера и направления роста зерен отливки при ее кристаллизации.
- Моделирование заполнения стержневых ящиков песком при пескодувном процессе получения стержней.
- Определение теплофизических свойств сплава (теплопроводность, теплоемкость, скрытую теплоту кристаллизации).
- Расчет фазовых изменений в структуре металла во время кристаллизации и охлаждении отливки, а также при моделировании термической обработки.
В результате расчета микроструктуры определяются: фазовый состав, средний размер зерна, междендритное расстояние, механические свойства и т.д.
Так, например, моделирование последовательности заполнения металлом формы, расчет зон тепловых узлов, размеров усадки сплава и дефектов отливки наглядно представляет рисунках ниже.
Кроме этого ProCast можно использовать для проведения виртуальных лабораторных работ по таким дисциплинам, как «Теория литейных процессов», «Технология литейного производства» и «Производство отливок из черных и цветных сплавов».
Ниже на рисунке представлены результаты исследования жидкотекучести алюминиевого сплава при различных температурах с использованием спиральной пробы.
Использование ProCast облегчает понимание процессов, протекающих внутри формы, так как мы наглядно можем видеть, что происходит с расплавом на протяжении всего процесса заливки и кристаллизации отливки в форме. А это, в свою очередь, облегчает выявление причин образования тех или иных дефектов в теле отливки и, следовательно, помогает разработать более правильную стратегию по устранению данных дефектов в более короткий срок.
Пользователями ПО ProCast среди образовательных учреждений, которые осуществляют подготовку бакалавров по профилю «Металлургия» являются следующие ведущие вузы страны:
- Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (Москва).
- Юргинский технологический институт ТПУ (Юрга).
- ГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (Красноярск).
- МИСиС (Москва).
- Южно-Уральский государственный университет (Челябинск).
- ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет» (Пермь).
- ГОУ ВПО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» (Самара).
- ГОУ ВПО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» (Иркутск).
- ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационно-технический университет» (Уфа).
Функциональность и доступность ProCast при использовании в подготовке бакалавров по профилю «Металлургия» открывает широкие возможности для преподавателей и студентов при освоении современных и востребованных на производстве компьютерных инженерных инструментов. Формирование у студентов способностей работать в программах виртуального инжиниринга создает основу для востребованности выпускников вуза, как в учреждениях профессионального образования (техникумы, учебные центры предприятий), ориентированных на подготовку специалистов по наукоемким технологиям для машиностроения и литейного производства, так и в технологических отделах и литейных цехах различных предприятий металлургической отрасли.
Авторы: Ведерников Максим, технический специалист «ПЛМ Инжиниринг» (ГК «ПЛМ Урал»), Бекетова Юлия Алексеевна, кандидат педагогических наук, доцент ФГАОУ ВО «Российский государственный профессионально-педагогический университет».