Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za raziskovalno dejavnost
- Članica UL: UL Fakulteta za strojništvo
- Šifra projekta: L2-9246
- Naslov: Večfizikalno in večnivojsko numerično modeliranje za konkurenčno kontinuirno ulivanje
- Trajanje: 01.07.2018 – 30.06.2021
- Letni obseg: 0,75
- Vodja: prof. dr. Božidar Šarler
- Veda: Tehniške vede
- Sodelujoče RO: Povezava
- Sestava projektne skupine: Povezava
- Bibliografske reference: Povezava
Vsebinski opis projekta
Sofinancer projekta je vrhunski slovenski izdelovalec jekla Štore Steel. Podjetje je globalno poznano zaradi vrhunskih izdelkov, ki se uporabljajo v avtomobilski, letalski, vesoljski, športni in vojaški industriji. Izdelke tovarna večinoma izvaža na zahtevne tuje trge, kjer izstopajo po tehnični dovršenosti in po preseganju standardov visoke kvalitete, postavljenih s strani kupcev. Podjetje lahko sprejema posebna naročila in odjemalcem omogoča hitro dobavo.Vsebina predlaganega projekta se nanaša na sosledje naših prejšnjih, uspešno zaključenih aplikativnih projektov: L2-5387 (2002-2005) Modeliranje in optimizacija za konkurenčno kontinuirno litje, L2-9508 (2006-2009) Simulacija mikrostrukture za kontinuirno ulivanje jekel z vrhunsko kvaliteto, L2-3651 (2010-2014) Simulacija in optimizacija ulivanja, valjanja in toplotne obdelave za konkurenčno proizvodnjo vrhunskih jekel, L2-6775 (2004- 2007) Simulacija industrijskih procesov strjevanja pod vplivom elektromagnetnih polj ter povezanih projektov okvirnih programov EU, projektov z ZDA in Kitajsko. S pomočjo pridobljenega znanja smo z naprednimi numeričnimi modeli opremili in avtomatizirali novo, v letu 2016 instalirano, napravo za kontinuirno ulivanje jekla.
Podjetje sistematično vlaga v izboljšano kontinuirno ulivanje brez napak s ciljem vrhunske kvalitete izdelkov. Ti napori so močno odvisni od naprednih numeričnih simulacij procesa. Namen predlaganega projekta je nadaljnji razvoj in izboljšanje časovno povezanih in nepovezanih modelov kontinuirnega ulivanja za napoved in odpravljanje napak ulivanja kot so: makroizcejanje, vključki, izkrivljanja oblike, poroznost, vroče trganje, zmanjšana kvaliteta površine ter razpoke v notranjosti in na površini.
V okviru projekta bo nadalje vzpostavljen model ulivanja, ki bo upošteval več fizikalnih pojavov na več merilih z večciljno optimizacijo. Model bo povezal termomehanske, termofluidne, termodinamske, elektromagnetne, magnetohidrodinamske in transportne pojave od vrha kokile do ohlajanja gredic. Tako kompleksen model še ni bil razvit in bo vodilen v svetovnem merilu. Sklopitev prek več meril bo povezala procesne parametre z makrostrukturo, mikrostrukturo in fizikalnimi lastnostmi izdelka. Fizikalni modeli bodo povezani prek sklopljenih rešitev elektromanetega, temperaturnega, hitrostnega, koncentracijskega, deformacijskega in napetostnega polja. Večciljna optimizacija bo omogočala nastavitev optimalnih procesnih parametrov v odvisnosti od hitrosti litja, kvalitete izdelka in/ali vpliva na okolje.
Makrostrukturni modeli bodo upoštevali mehaniko kontinuuma, sklopljene enačbe za prenos snovi, gibalne količine, energije, turbulentne kinetične energije in disipacije ter sestavin v Eulerjevem sistemu. Mikroskopski modeli bodo osnovani na naši originalno razviti metodi točkovnih avtomatov ter metodi faznega polja. Elektromagnetno polje je izračunano preko Maxwellovih enačb. Modeli bodo ovrednoteni v realistični tri dimenzionalni postavitvi z uporabo naših izvirno razvitih ter večkrat nagrajenih brezmrežnih metod. Numerična izvedba bo temeljila na enoviti programski platformi, ki bo razvita za potrebe tega projekta. Sistem bo uporabljal razcep območja. Tako bo izkoristil vzporedne računske zmožnosti modernih superračunalnikov na katerih bo instaliran. Modeli bodo umerjeni z meritvami v industrijskih obratih, z laboratorijsko karakterizacijo materialov in podobnostnimi vodnimi modeli. Končni cilj modeliranja je napovedovanje lastnosti izdelka v odvisnosti od procesnih parametrov ter ocenjevanje morebitnih projektnih sprememb pri livnih napravah.
Pričakovani učinki predlaganega projekta so: izboljšana kakovost, povečanje kapacitet proizvodnje ter produktivnosti pri izdelavi širokega spektra izdelkov. Rezultate projekta bomo, tako kot v predhodnih projektih, implementirali v proizvodnjo, objavili v revijah z najvišjim faktorjem vpliva in predstavili v obliki ključnih predavanj na velikih mednarodnih konferencah.
Faze projekta in njihova realizacija
Delovni paket 1: izboljšanje fizikalnih modelov – skupna realizacija projektnih aktivnosti: 60%DP1 – opravilo 1.1: mehanika tekočin med strjevanjem
Realizacija: Z volumsko povprečenim modelom je bil izračunan testni primer strjevanja binarne zlitine.Primer smo nadgradili z modelom gibanja zrn, ki opisuje gibanje enakoosnih kristalov v kapljevini. Model je bil sklopljen z obstoječimi modeli za hitrostno, koncentracijsko in termično polje. Integriran model bo predstavljen [1.1.1] na vodilni mednarodni konferenci s področja numeričnega modeliranja strjevanja MCWASP XV: Modelling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes.
[1.1.1] MRAMOR, Katarina, REK, Zlatko, DOBRAVEC, Tadej, MAVRIČ, Boštjan, HATIĆ, Vanja, ŠARLER, Božidar, Benchmark study of two-dimensional binary alloy solidification with moving grains in a cubic cavity, MCWASP XV (junij 2020).
DP1 – opravilo 1.2: model potujoče rezine za mehaniko trdnin
Realizacija: Izdelan je bil model potujoče rezine za mehaniko trdnin, ki omogoča opis viskoplastične deformacije in verjetnosti za nastajanje razpok. Model je bil integriran z obstoječim termičnim modelom. Integriran model bo predstavljen v [1.2.1]. Integracija termičnega, mehanskega in mikrostrukturnega modela bo predstavljena na specializirani mednarodni konferenci za kontinuirno ulivanje: 10th European Continuous Casting Conference v Bariju, Italija, Oktobra 2020 kot vabljeno predavanje.
[1.2.1] MAVRIČ, Boštjan, DOBRAVEC, Tadej, VERNIK, Robert, ŠARLER, Božidar, A meshless thermomechanical travelling-slice model of continuous casting of steel, MCWASP XV (junij 2020).
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/861/1/012018
[1.2.2] ŠARLER, Božidar, MAVRIČ, Boštjan, DOBRAVEC, Tadej, VERTNIK, Robert, A Comprehensive slice model for continuous casting of steel (objavljen bo v zborniku konference ECCC 2020).
DP1 – opravilo 1.3: 3D model mehanike trdnin
Realizacija: 3D model mehanike trdnin je bil razvit za plastično deformacijo v 3D za von Missesov material z utrjevanjem. Model je bil verificiran na več testnih primerih. Dosedanji razvoj modela je povzet objavah na mednarodni konferenci [1.3.1] ter v magistrskem delu [1.3.2]. Za njegovo implementacijo je bila razvita nova različica lokalne kolokacijske metode z radialnimi baznimi funkcijami, ki hibridno diskretizira operator divergence.
[1.3.1] VUGA, Gašper, MAVRIČ, Boštjan, ŠARLER, Božidar. Development of a meshless numerical model for solving three-dimensional elasto-plastic problems. V: GODEC, Matjaž (ur.), et al. Program in knjiga povzetkov = Program and book of abstracts. 27. Mednarodna konferenca o materialih in tehnologijah, 16.-18. oktober 2019, Portorož, Slovenija = 27th International Conference on Materials and Technology, 16-18 October 2019, Portorož, Slovenia. Ljubljana: Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, 2019.
http://mit.imt.si/izvodi/mit194/BookOfAbstracts_27ICM&T.pdf
[1.3.2] VUGA, Gašper. Razvoj brezmrežne numerične metode za reševanje tri-dimenzionalnih elasto-plastičnih problemov: magistrsko delo magistrskega študijskega programa II. Stopnje Strojništvo. Ljubljana, 2019. [COBISS.SI-ID 16930331].
DP1 – opravilo 1.4: modeliranje mikrostrukture
Realitacija: Model točkovnih avtomatov za napoved položaja ECT in CET razširjamo na večsestavinske zlitine s ciljem računanja natančnejše ocene velikosti zrn in mikroizcejanja več legirnih elementov na milimetrskem merilu v dveh in treh dimenzijah. V razvoju pa je tudi model faznega polja za natančen izračun morfologije zrn in mikroizcejnja na mikrometrskem merilu
[1.4.1] DOBRAVEC, Tadej, MAVRIČ, Boštjan, ŠARLER, Božidar. Reduction of discretisation induced anisotropy in the phase-field modelling of dendritic growth by meshless approach. Computational materials science, ISSN 0927-0256. [Print ed.], 2020, vol. 172, [12] str.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927025619304653?via%3Dihub
Delovni paket 2: paralelizacija za uporabo modelov na HPC sistemih – skupna realizacija projektnih aktivnoti: 60 %
Realizacija: Razvito je bilo ogrodje za particiranje računskih domen z namenom uporabe pristopa razcepa domene na HPC sistemih. Izvedena je bila validacija razvitega ogrodja. Ogrodje je bilo prvič uporabljeno za namen paralelizacije 3D modela mehanike trdnin. Razviti model je bil uspešno validiran.
Delovni paket 3: validacija in verifikacija – skupna realizacija projektnih aktivnosti: 90 %
DP3 – opravilo 3.1: eksperimenti kontinuirnega ulivanja
Realizacija: V sodelovanju z razvojnim oddelkom sofinancerja izvajamo spekter meritev za validacijo modelov, ki obsegajo meritve z infrardečo tomografijo in dvobarvnim pirometrom, meritve debeline srajčke in jakosti elektromagnetnega polja.
DP3 – opravilo 3.2: laboratorijske meritve
Realizacija: V sodelovanju z razvojnim oddelkom sofinancerja izvajamo spekter meritev za validacijo modelov, ki obsegajo analizo mikroizcejanja in makroizcejanja, porazdelitve velikosti in orientacije zrn, zaznavanje poroznosti in vročega trganja.
DP3 – opravilo 3.3: podobnostni vodni modeli
Realizacija: Izdelan je bil vodni model kontinuirnega ulivanja. Geometrija laboratorijskega vodnega modela in geometrija industrijske naprave za kontinuirno ulivanje jekla v podjetju Štore Steel sta v merilu 1:1. Nadalje je ocenjeno, da je vpliv površinske napetosti za opazovane parametre zanemarljiv, zato pri dimenzijski analizi upoštevamo Reynoldsovo število (Re), Froude-ovega pa ne. Na podlagi hitrosti ulivanja (industrijski podatek) je bilo določeno Re za primer toka jekla v industrijski napravi. Dobljeno število pa je bilo nato uporabljeno za določitev hitrosti vode v laboratorijskem vodnem modelu. Na podlagi hidrodinamske podobnosti lahko torej smatrano, da je tok v vodnem modelu iz stališča dinamike fluidov (in upoštevajoč predpostavke) podoben toku jekla v industrijski napravi. Meritve na vodnem modelu so bile opravljene za hitrosti ulivanja v razponu od 1,4 – 2,0 m/s [3.3.1]. Merjene so bile hitrostne karakteristike toka. Za meritve smo uporabili PIV (angl. Particle Image Velocimetry) merilni sistem. Slednji omogoča zajemanje videoposnetkov z uporabo kamere ter laserskega osvetljevanja delčkov, ki toku sledijo. Z obdelavo takih video posnetkov je mogoče rekonstruirati hitrostno vektorsko polje. Uporabili smo 2D sistem, ki omogoča pridobivanje rezultatov v eni ravnini. Za posamezno hitrost ulivanja so bile meritve opravljene na več karakterističnih prerezih. Med seboj smo primerjali rezultate eksperimenta in več numeričnih turbulentnih modelov [3.3.2], [3.3.3].
[3.3.1] GREGORC, Jurij, ŠARLER, Božidar. The characteristics of flow field inside water model of an industrial continuous steel caster. V: GODEC, Matjaž (ur.), et al. Program in knjiga povzetkov = Program and book of abstracts. 27. Mednarodna konferenca o materialih in tehnologijah, 16.-18. oktober 2019, Portorož, Slovenija = 27th International Conference on Materials and Technology, 16-18 October 2019, Portorož, Slovenia. Ljubljana: Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, 2019. F. 59.
http://mit.imt.si/izvodi/mit194/BookOfAbstracts_27ICM&T.pdf
[3.3.2] KUNAVAR, Ajda. Primerjava turbulentnih modelov za napovedovanje obnašanja toka v kokili pri kontinuirnem ulivanju jekla: magistrsko delo magistrskega študijskega programa II. stopnje Strojništvo. Ljubljana, 2020. [COBISS.SI-ID 16930331].
[3.3.3] GREGORC, Jurij, KUNAVAR, Ajda, ŠARLER, Božidar. Performance of turbulence models for flow prediction in a mould of continuous steel caster. MCWASP XV (junij 2020).
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/861/1/012019
DP3 – opravilo 3.4: mednarodni testni primeri
Delovni paket 4: uporaba modelov v industriji – skupna realizacija projektnih aktivnosti: 70 %
Realizacija: Projekt predstavlja nadgradnjo in dopolnitev več deset let dolgega razvoja modelov kontinuirnega ulivanja jekla. Vsa opisana nova spoznanja so bila takoj po ustreznih testiranjih vgrajena v obstoječi simulacijski sistem. Model rezine se uporablja za optimizacijo nastavitve procesnih parametrov (hitrosti ulivanja, temperature ulivanja ter nastavitve prh). Razviti 3D model [4.0.1] se uporablja za natančno simulacijo temperaturnega, hitrostnega, napetostnega in makroizcejnega polja ter za ocene novih investicij ali modifikacij livne naprave pri naročniku.
[4.0.1] VERTNIK, Robert, MRAMOR, Katarina, ŠARLER, Božidar. Solution of three-dimensional temperature and turbulent velocity field in continuously cast steel billets with electromagnetic stirring by a meshless method. Engineering analysis with boundary elements. Jul. 2019, vol. 104, str. 347-363, ilustr. ISSN 0955-7997.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955799718305010?via%3Dihub