Внедрение отечественной системы численного анализа «ПолигонСофт»

Работа выполняется в рамках реализации Программы развития передовой инженерной школы федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» на 2022-2030 годы в целях достижения результатов федерального проекта "Передовые инженерные школы" в соответствии Соглашением №075-15-2022-1144 от 07.07.2022 о предоставлении из федерального бюджета грантов в форме субсидий и Дополнительным соглашением №075-15-2022-1144/2 от 23.02.2023. В настоящее время одной из важнейших задач авиадвигателестроения является повышение надежности газотурбинных двигателей. Так как надежность ГТД, в том числе, обеспечивается технологическими методами, то основные усилия должны быть направлены на совершенствование производственных процессов изготовления деталей горячего тракта газотурбинного двигателя, таких как лопатки, а также крупногабаритные корпусные детали. Повышенный интерес представляют технологические процессы изготовления деталей горячего тракта газотурбинного двигателя (лопаток турбины), так как они являются максимально нагруженными и определяют ресурс работы двигателя. Лопатки характеризуются сложной пространственной формой, высокими требованиями к точности геометрических параметров и качеству поверхностного слоя. Ввиду отсутствия развитых поверхностей для точного базирования лопаток наиболее эффективным, а в некоторых случаях и единственным способом получения заготовок лопаток является бесприпусковый по профилю пера способ изготовления отливок лопаток методом направленной кристаллизации и последующей механической обработкой замковой области и бандажной полки. Проведенный обзор существующих технологических процессов изготовления лопаток турбины ГТД позволил установить, что производство бесприпусковых заготовок лопаток турбины является крайне неустойчивым и характеризуется большим процентом брака (порядка 60%). В первую очередь, это связано с нестабильностью технологических режимов. Значительную часть от общего объема дефектов составляет несоответствие по макроструктуре и геометрическим параметрам пера, вызванного объемной усадкой материала. Устранение данных дефектов позволит на 20–25% повысить качество заготовительного производства лопаток. В настоящее время проводятся мероприятия по совершенствованию производственного процесса и снижению брака у заготовок лопаток и крупногабаритных корпусных деталей. Однако отработка технологии, характеризующаяся субъективным (человеческим) фактором, осуществляется путем проведения ряда натурных экспериментов, т.е. методом проб и ошибок, что приводит к значительному перерасходу дорогостоящих материалов и энергоресурсов, повышению трудоемкости изготовления отливок и снижению гибкости технологического процесса. АКТУАЛЬНОСТЬ решения проблемы повышения качества процесса изготовления бесприпусковых по профилю пера заготовок деталей горячего тракта газотурбинного двигателя и крупногабаритных корпусных деталей обусловлена разработкой верифицированных и валидированных цифровых моделей-двойников технологического процесса литья (т.е. уход от натурных экспериментов) и ее заменой виртуальными цифровыми полигонами. Опыт показывает, что любой даже едва заметный прогресс в решении проблемы в одной из отраслей двигателестроения, например, повышение качества деталей за счет стабильности геометрических размеров заготовок деталей, оказывает прямое воздействие на решение проблемы в других отраслях (судостроении, автомобилестроении и др.), а также в других областях промышленности (ракетно-космической технике, строительстве и архитектуре и др.), т.к. в основе новых технологических разработок обычно лежат новые научные подходы, имеющие множество конкретных практических реализаций. НАУЧНАЯ НОВИЗНА предлагаемого проекта заключается в следующем. - Разрабатывается новый подход к выбору и оптимизации технологических режимов процесса изготовления деталей горячего тракта газотурбинного двигателя и крупногабаритных корпусных деталей. Он заключается в создании методики конечно-элементного моделирования, которая будет отличаться от существующих наличием технологических звеньев: литейной установки, графитовой опоки, графитового наполнителя, керамической формы и металла, а также учетом их взаимного влияния. - Разрабатывается математическая модель определения температурного поля при литье в технологических звеньях процесса: литейная установка, графитовая опока, графитовый наполнитель, керамическая форма и металл, отличительной особенностью которой является учет нестационарного характера распределения температур. Разрабатываемая математическая модель с большой долей достоверности позволит решать принципиально новые задачи по прогнозированию усадочных дефектов и корректировки на рассчитанный процент усадки припусков для получения бесприпусковых по профилю пера отливок деталей горячего тракта газотурбинного двигателя. - Устанавливается закономерность влияния параметров технологического процесса на тепловые условия направленной кристаллизации при радиационном и конвективном охлаждении формы (в металлическом расплаве). Планируется теоретически определить и экспериментально подтвердить области формирования направленной, монокристаллической и композиционной структуры в зависимости от температуры литейной установки, метода охлаждения и скорости перемещения формы. Планируется теоретически обосновать требования к конструктивным параметрам литейных установок для получения отливок с направленной и монокристаллической структурами. - Разрабатывается методика цифрового моделирования технологического процесса литья деталей в отечественной системе компьютерного моделирования «ПолигонСофт», позволяющей повысить точность определения температурного поля благодаря учету нестационарного характера распределения тепловых потоков. Данная методика позволит обеспечить совершенствование известных подходов в части цифрового моделирования технологических процессов. Необходимо отметить, что разрабатываемые математическая модель и методика цифрового моделирования позволят с высокой степенью достоверности определять напряженно-деформированное состояние отливок деталей и прогнозировать величину объемной усадки, которая на сегодняшний день для каждой плавки определяется экспериментальным путем, а существующие немногочисленные алгоритмы ее определения носят вероятностный характер. Возможность прогнозирования и управления усадкой позволит изготавливать бесприпусковые по профилю пера отливки деталей горячего тракта малоразмерного газотурбинного двигателя, что значительно сократит объем последующей механической обработки и увеличит эксплуатационные свойства лопаток, так как не будет происходить съем полезного поверхностного слоя, повышающего жаропрочные свойства лопаток. Тематика заявляемого научного проекта соответствует теме научного исследования, связанной с внедрением технологий автоматизации и цифровизации процессов производства аэрокосмической техники, а также соответствует программе развития и фронтирной задаче ПИАШ в части разработки комплексных решений интенсификации процессов создания и модернизации изделий аэрокосмической техники на основе интеграции интеллектуальных производственных и информационных технологий в рамках «цифрового завода». Целью исследования является внедрение в технологическую подготовку литейного производства деталей по номенклатуре предприятия ПАО «ОДК-Кузнецов» системы компьютерного моделирования литейных процессов «ПолигонСофт» для повышения качественных параметров процесса (возможность прогнозирования, напряженно-деформированного состояния и, как следствие, получение стабильных геометрических размеров) за счет использования цифровых моделей-двойников. Ожидаемыми результатами станут: - разработанный алгоритм проектирования конечно-элементных моделей отливок деталей горячего тракта газотурбинного двигателя и крупногабаритных отливок с литниково-питающей системой в модуле «Salome». Спроектированные конечно-элементные модели отливок деталей с литниково-питающей системой по согласованной с предприятием ПАО «ОДК-Кузнецов» номенклатуре деталей; - разработанные и внедренные в металлургическое производство методики компьютерного моделирования деталей горячего тракта газотурбинного двигателя с направленной кристаллизацией, литья крупногабаритных отливок, литья в ПГС; - экспериментальная апробация разработанной методики определения оптимальных технологических режимов; - разработанная и внедренная в металлургическое производство собственная термодинамическая база данных отечественных сплавов; - разработанная и апробированная в металлургическом производстве методика моделирования усадочных раковин и макропористости по согласованной с предприятием ПАО «ОДК-Кузнецов» номенклатуре деталей; - разработанная и апробированная в металлургическом производстве методика моделирования напряженно-деформированного состояния отливок деталей горячего тракта малоразмерного газотурбинного двигателя и крупногабаритных отливок по согласованной с предприятием ПАО «ОДК-Кузнецов» номенклатуре деталей.