Základem struktury simulačního programu WinCast jsou moduly, které umožňují průběh potřebného simulačního výpočtu. První modul je určen k vytvoření nebo načtení geometrie, tzv. preprocessing. Hlavní výpočtový modul se označuje mainprocessing, který provádí vlastní simulační výpočet, na nějž je navázán modul, tzv. postprocessing, zobrazující výsledky simulačního výpočtu.
Součástí každého simulačního softwaru je databáze tepelně-fyzikálních veličin používaných materiálů odlitků i forem. Databáze nejnovějších simulačních programů obsahují hodnoty alespoň některých fyzikálních veličin v závislosti na teplotě (tepelnou vodivost, měrnou tepelnou kapacitu, hustotu, součinitel přestupu tepla). Téměř u všech simulačních programů je možné databanku obohacovat o hodnoty vlastních materiálů a také s nimi počítat.
Moduly obsahují jednotlivé programy pro ukládání a manipulaci s geometrickými daty, výpočty a zobrazování výsledků. Každý z modulů je k dispozici v 3D i 2D, uplatňuje numerickou metodu MKP a systém CAD. V matematickém modelu pro přesné výpočty jsou fyzikální a metalurgické principy rozvíjeny dlouhodobým výzkumem. Geometrie modelovaného objektu, pro nějž bude proveden simulační výpočet teplotních polí, je rozdělen na jednotlivé elementy na základě předpokladu, že ve vnitřku elementu je lineární průběh teplot. Rozložení teplot během tuhnutí, popř. chladnutí se počítá nejen v bodech, ale v celém objemu odlitku. Současně lze stanovit i rozložení teplot ve slévárenské formě. Tento program však za poslední dobu prošel řadou inovací za účelem jeho zdokonalení a rozšíření oblasti simulačních výpočtů. Vedle simulace tuhnutí a chladnutí odlitku ve formě lze provést i simulaci plnění formy taveninou, stanovení zbytkového pnutí a struktury v libovolném místě odlitku. Fyzikální popis simulovaných veličin je proveden na základě rovnice kontinuity, Navier-Stokesovy rovnice, rovnice sdílení tepla dle Fouriera, rovnice pro stanovení napětí a deformací, transformačních diagramů struktur.
Jak již bylo uvedeno, simulační výpočet se provádí ve třech základních krocích: preprocessing, mainprocessing, a postprocessing.
Preprocessing je vytváření geometrických dat odlitku. Pro vstup geometrických dat existují dvě alternativy, buď mohou být preprocesorem zpracovány již existující výkresy vytvořené jako CAD programy ve formátu IGES, VDA, nebo mohou být vytvořené CAD systémem Euklid. Preprocesor je dodáván jako základní vybavení programu Simtec. Vlastním CAD systémem vytváří uživatel tvar a připojení vtokové soustavy. Druhou možností je vytvoření kompletní geometrie odlitku pomocí AMG (Automatic Mesh Generator).
Náročnost zpracování výkresu závisí na komplikovanosti geometrie. Nejprve se na počítači zkontroluje geometrie součásti. Obvykle se strojnický výkres rozloží na tzv. tablety a vytvoří se 2D průřezy součástí za použití vlastního CAD systému AMG. Pro rovinný obrys se používá grafický tablet. Tyto průřezy se potom vrstva po vrstvě skládají do 3D sítě. Geometrické funkce síťového generátoru pomáhají CAD systému zpracovávat konstrukci pro prostorovou simulaci tuhnutí příslušného odlitku.
Mainprocessing je hlavní krok celého simulačního výpočtu (vlastní simulační výpočet). Program vypočte změny teplot během simulovaného slévárenského procesu, případně se provede analýza napětí. Potřebné tepelně-fyzikální veličiny použitých materiálů odlitku a formy se zadávají z databáze programu, která je součástí jeho standardního vybavení. Uživatel na začátku výpočtu zadává další podmínky, jako je např. licí teplota taveniny příslušného slévárenského materiálu, počáteční teplota formy, teplota okolí, latentní teplo použitého materiálu, rychlost plnění formy taveninou atd. Pro vyhodnocení kritických fází simulovaného procesu se volí časové intervaly. Současně nejnovější verze programu řeší i velmi složitou problematiku plnění formy, které je ovlivňováno řadou fyzikálních faktorů taveniny, jako je viskozita, povrchové napětí, turbulence atd.
Postprocessing je forma zobrazení výsledků simulačního výpočtu. Výsledky se zobrazují barevně dle potřeby buď ve 2D nebo 3D. Pokud jde o prostorové rozložení sledovaných veličin, lze zobrazit izotermy, křivky minimálních a maximálních teplot, zbytková napětí odlitku, kriteriální funkce, deformace nebo určit strukturu odlitku.
Zobrazení izoterm umožňuje rychlé a jednoduché zjištění oblastí posledního tuhnutí odlitku a relativní rychlosti tuhnutí. Uživatel volí a současně zadává požadovanou teplotu. Počítač vypíše časový interval, kdy bylo teploty dosaženo. Program má schopnost najít izotermy ve zvoleném časovém intervalu a v libovolném průřezu odlitku. Určením teploty solidu lze zjistit i postupující frontu tuhnutí odlitku.
Pro zobrazení křivek minimálních a maximálních teplot program najde nejvyšší a nejnižší teplotu ve zvolené rovině a vykreslí její časovou závislost. Křivky chladnutí určují změny skupenství pro jakýkoliv bod v odlitku. Udávají konec tuhnutí a délku trvání změny. Mohou být užity jako určující parametr pro uvolňování odlitku z formy.
Zobrazení zbytkových napětí je realizováno číselnou a barevnou stupnicí. Zbytková pnutí v odlitcích jsou důležitým faktorem pro vytváření zdravého odlitku. Velmi výhodná je možnost kombinace napěťových a teplotních polí, kdy uživatel může okamžitě zjistit místa, ve kterých se při ochlazování mohou vytvořit kritická napětí.
Zobrazení kriteriálních funkcí slouží pro stanovení teplotních gradientů a rychlosti tuhnutí. Funkce zahrnující obě veličiny jsou důležité pro předpovídání jakosti odlitku, pomáhají identifikovat oblasti vzniku staženin a pórů.
Zobrazení deformací poskytuje informaci o změnách rozměrů. U každého individuálního bodu objektu je vypočítán jeho posun v geometrickém modelu. Zobrazení struktury udává, jaká struktura bude v daném odlitku.
Tento příspěvek vznikl s podporou MSM 4674788501.
Prof. Ing. Iva Nová, CSc.
Ing. Petr Kosek
Ing. Jan Šmrha