Μελέτη Χύτευσης Ακριβείας με Έμφαση στο Βέλτιστο Προσδιορισμό του Συντελεστή Μετάδοσης Θερμότητας

Abstract

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής σχετίζεται με ένα πολύ σοβαρό επιστημονικό πρόβλημα: αυτό της υψηλής αβεβαιότητας της αριθμητικής προσομοίωσης της χύτευσης λόγω ασάφειας κάποιων δεδομένων εισόδου, μεταξύ των οποίων είναι ο Συντελεστής Μετάδοσης Θερμότητας (ΣΜΘ) ή “Interfacial heat transfer coefficient-IHTC” ή απλώς “Heat Transfer Coefficient-HTC”. Η παράμετρος αυτή αντιπροσωπεύει τη μετάδοση θερμότητας διαμέσου της διεπιφάνειας χυτού/καλουπιού. Η παρούσα διατριβή εστιάζεται στον προσδιορισμό της συγκεκριμένης, πολύ κρίσιμης παραμέτρου εισόδου.

Ο προσδιορισμός του ΣΜΘ είναι ένα αντίστροφο, ελλιπώς-ορισμένο πρόβλημα που απαιτεί την ύπαρξη πειραματικών δεδομένων. Για το λόγο αυτό, διεξήχθη μία σειρά πειραμάτων χύτευσης ακριβείας, με χρήση μηχανής χύτευσης-υπερπίεσης, για λήψη μετρήσεων θερμοκρασίας κατά την απόψυξη του χυτού. Οι αριθμητικές προσομοιώσεις της χύτευσης πραγματοποιήθηκαν με το εμπορικό λογισμικό ProCAST.

Η κύρια συνεισφορά της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του χυτού στην τιμή του ΣΜΘ, ένα θέμα που επισημαίνεται έντονα, αλλά δεν έχει μελετηθεί εκτενώς και σε βάθος. Από τη μελέτη προκύπτει πως η μοντελοποίηση με χρήση μίας ενιαίας οριακής συνθήκης διεπιφάνειας δεν μπορεί να καταλήξει σε ρεαλιστικά αποτελέσματα. Έτσι, αναπτύχθηκε κώδικας Γενετικού Αλγορίθμου για τον προσδιορισμό του βέλτιστου συνδυασμού τιμών του συντελεστή που θα πρέπει να ανατεθούν σε διαφορετικές περιοχές της γεωμετρίας του χυτού, ώστε να προκύψουν ρεαλιστικά αποτελέσματα από την προσομοίωση.

Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε προσδιορισμός του ΣΜΘ με τις βασικότερες μεθόδους που είναι γνωστές στη βιβλιογραφία: προσδιορισμός με χρήση αναλυτικών σχέσεων, προσδιορισμός με χρήση αντίστροφης μεθόδου και προσδιορισμός με τη μέθοδο «δοκιμής-και-σφάλματος». Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με αυτά της προτεινόμενης μεθοδολογίας.

Τέλος, τα χυτά δοκίμια που παρήχθησαν από τα πειράματα μελετήθηκαν μεταλλογραφικά και μετρήθηκαν χαρακτηριστικά μεγέθη της μικροδομής τους. Ο σχεδιασμός των πειραμάτων που χρησιμοποιήθηκε επέτρεψε την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την επίδραση των παραμέτρων της χύτευσης στο τελικό χυτό προϊόν.

The present PhD Thesis is related to a well known scientific issue: that of the high uncertainty associated with the numerical simulation of the casting process because of certain input parameters, including a parameter called “Interfacial heat transfer coefficient-IHTC or HTC. The HTC represents the heat transfer through the mould/casting interface. The present dissertation was focused on the determination of this very crucial input parameter.

This coefficient determination is an ill-posed, inverse problem that required experimental data. For this reason, a series of experiments were conducted, measuring temperature in real-time during vacuum-pressure investment casting. The numerical analyses were carried out using ProCAST.

The main contribution of my PhD was the study of the effect of geometrical aspects of the casting on the coefficient value, an issue that had not been studied before in great extent. It is highlighted that modelling using a uniform interfacial boundary condition does not result in realistic results. So, a Genetic Algorithm (GA) code was developed for the determination of the optimal combination of coefficient values that should be assigned to different regions of the casting model geometry, in order to achieve realistic results.

Furthermore, the heat transfer coefficient determination using the most common techniques in literature (determination using analytical equations, inverse calculation and “trial-and-error” determination) revealed the advantages and disadvantages of each technique.

Finally, the casting parts produced were metallographically investigated. The Design of Experiments (DoE) allowed the extraction of conclusions about the effect of casting parameters on part quality.