Уже более 5 лет мы используем численное моделирование для решения различных задач. Все наши проекты имеют практическое назначение, а результаты проверяются в промышленных условиях. В этой статье Вы найдете подборку наиболее интересных проектов, выполненных нами за прошедший год. Как Вы думаете, можно ли намотать стальную трубу на катушку?
Численное моделирование
В основе процесса лежит создание компьютерных моделей методом конечных элементов. Фактически, это имитация производственного процесса в специализированном программном обеспечении. Это позволяет снизить часть затрат на физические испытания, добиться более точного результата и рассмотреть несколько альтернативных вариантов. Один проект может занимать от часа до нескольких месяцев.
В Северсталь создана отдельная группа, которая решает задачи:
- определения параметров технологических процессов, которые не могут быть измерены;
- оценки эффективности оборудования и технологий, планируемых к использованию;
- продвижения новых и уникальных продуктов клиентам;
- определения перспективных требований к материалам в технологиях будущего.
Группой используется программное обеспечение SIMULIA Abaqus, ANSYS CFD, Autoform, расчетные станции Dell и Lenovo. Для получения компьютерной модели детали используется собственный оптический 3D сканер. Для моделирования очень важны физические свойства материалов, которые испытываются во внутренних лабораториях или лабораториях партнеров. Карточки свойств материалов также доступны для наших клиентов — пользователей Инжинирингового портала.
С чего все начинается и какие проекты мы делаем
Проверка различных гипотез — одно из наиболее востребованных направлений для нашей группы моделирования. Вокруг всегда много прорывных идей: «наши конкуренты достигли …», «на конференции представлена технология будущего …», «новый технологический стартап…», некоторые из них выглядят экономически очень привлекательными.
Существуют различные способы, как проверить, какие из этих идей могут быть применены в нашей компании и дадут целевую прибыль, а какие — нет. Можно рискнуть, потратить деньги и проверить в реальности. Можно организовать НИОКР с внешним партнером. Но многие идеи могут быть проверены компьютерным моделированием при относительно небольших затратах времени.
Примером этого может стать проект по стальным трубам в катушках. Они широко применяются при строительстве и ремонтах газовых и нефтяных скважин. Они позволяют сэкономить на операциях сборки/разборки бурильной колонны. Эти трубы производятся в относительно небольших диаметрах, до 100 мм. Можно ли производить и поставлять клиентам трубы в катушках большего диаметра, например для строительства локальных трубопроводов, помочь сэкономить на сварке? Какие максимальные диаметры и толщины стенок можно обеспечить, из каких марок стали? Какое усилие необходимо для смотки и размотки такой трубы? На все эти вопросы мы смогли ответить, создав достаточно простую модель.
Рис. 1 – Труба диаметром 219 мм и толщиной стенки 6,5 мм сматывается на барабан диаметром 4 метра
Больше всего мы любим проекты про взрывы и разрушения, поэтому с удовольствием взялись за создание модели полигонных испытаний труб большого диаметра. Компании, эксплуатирующие магистральные газопроводы, заинтересованы в том, чтобы в случае аварийной ситуации был разрушен минимальный участок трубы, который можно будет быстро отремонтировать.
Чтобы оценить способность труб различных марок стали и от различных поставщиков сопротивляться распространению трещины разработана специальная методика испытаний. Смысл простой — на полигоне собирается участок трубопровода, в нем создается высокое давление, в центральной части тестового участка трубопровода производится подрыв кумулятивного заряда, определяется длина трещины в каждом направлении.
Рис. 2 – Общая схема тестового участка
К сожалению, результаты испытаний не всегда предсказуемы. Необходимо выплавить 350 тонн стали, прокатать листы, изготовить из них трубы, доставить на полигон, и только тогда мы сможем узнать результат. Задача для моделирования — создать инструмент, который на основании лабораторных испытаний стального листа позволит с высокой точностью определить результат полигонных испытаний.
Нам удалось создать такой инструмент и мы проводим виртуальные испытания наших самых прочных труб из марки стали X100 для магистральных газопроводов. Эти трубы еще не используются в России. Кроме того, мы планируем разработать методику расчета устойчивости труб к распространению трещины на основании лабораторных испытаний и предложить ее нашим партнерам и клиентам.
Рис. 3 – Результаты виртуальных испытаний. В зависимости от механических свойств трубы трещина может распространяться линейно или закольцовываться
Среди наших задач и более распространенные для черной металлургии — расчеты процессов обработки металлов давлением. Расчеты таких процессов делает, наверное, каждый студент, обучающийся по специальности ОМД, написано много книг и диссертаций. Но по разным причинам в этих расчетах часто используются существенные упрощения и допущения, например: «валки цилиндрические», «валки абсолютно жесткие», «станина клети абсолютно жесткая», «геометрия валка постоянна».
Такие упрощения не позволили бы нам выполнить очередной проект — определить оптимальную профилировку валков клети стана горячей прокатки, позволяющую минимизировать напряжения в валке и вероятность его разрушения. Поэтому в нашей модели:
- геометрия и схема работы клети соответствуют реальности;
- станина является деформируемой;
- валки имеют профилировку;
- валки являются деформируемыми, к рабочим валкам приложено изгибающее усилие;
- учитывается износ поверхности валка в течение кампании прокатки.
Рис. 4 – Модель клети стана горячей прокатки
Созданный инструмент позволил детально изучить процессы нагружения и износа рабочих валков стана горячей прокатки, разработать более эффективную профилировку.
Рис. 5 – Распределение напряжений в рабочих валках в начале и в конце кампании прокатки
В последние годы у ремонтных подразделений компании и у наших клиентов возник спрос на анализ процессов износа оборудования сыпучими средами. Пилотную работу по этой теме мы выполнили вместе с нашим партнером, компанией «Кадфем Си-Ай-Эс» в новом для себя программном продукте Rocky.
При добыче полезных ископаемых широко применяются карьерные самосвалы высокой грузоподъемности, каждый из них ежедневно выполняет десятки рейсов, включающих загрузку руды или пустой породы, транспортировку и выгрузку. Транспортируемые сыпучие среды обладают высокой абразивностью, поэтому кузов самосвала изнутри футерован специальными износостойкими сталями, и даже они требуют регулярной замены.
Рис. 6 – Процесс выгрузки породы из кузова карьерного самосвала
Горнодобывающие компании заинтересованы в снижении износа футеровки, увеличении срока ее службы. Существует два основных направления действий:
- использование более устойчивых к износу материалов;
- оптимизация геометрии футеровки и/или использование различных схем, изменяющих характер движения сыпучей среды по поверхности.
Для оценки эффективности применения различных сталей и геометрических решений мы создали и развиваем модель процесса эксплуатации кузова. Параллельно, самосвал с экспериментальными элементами футеровки день за днем перевозит железную руду и приближается к моменту сравнения результатов расчета и эксперимента.
Рис. 7 – Распределение энергии, затраченной на износ футеровки кузова
Уважаемые читатели, присылайте свои вопросы, предложения по этой статье или другим интересующим темам на адрес инжинирингового портала. Ваша обратная связь важна для команды инжинирингового портала. Спасибо за внимание.
С уважением, команда Инжинирингового портала
Вам может быть интересно
Соответствие стандартов «Северстали» национальным стандартам и сводам правил России
Оптимизация профилей ЛСТК
Контейнер для сбора мусора – дешевле и экологичнее
Снижение металлоемкости кабины трактора
Фронтальные стеллажи из высокопрочных сталей
Где в машиностроении могут использоваться атмосферостойкие стали?
Сравнение износостойкости марок стали
Дешевые и надежные стальные бочки
Стальные автомобили будущего
Кузов карьерного самосвала – образец надежности, источник экономии
Перекрестные испытания как способ подтверждения правильности эксперимента
