بخشی از مقاله
چکیده
سیستم راهگاهی شبکه ای از کانال هایی است که فلز مذاب را به محفظه ی قالب میرساند. جریان سیال در حین پر کردن محفظه ی قالب دارای انتقال ها، بهم پیوستن جریان ها و جدا شدن آن ها در تقاطع ها، انتقال حرارت هم زمان در سیلان، تغییر اندازه حرکت و هدر رفت انرژی می باشد که این عوامل باعث الگوی بسیار پیچیده ی جریان سیال در سیستم راهگاهی حین پر شدن محفظه ی قالب می شود. با توجه به این که عدم پر شدن یکنواخت محفظه ی قالب توسط فلز مذاب باعث عدم یکنواختی خواص مکانیکی و غیر جهت دار شدن انجماد و در نتیجه نا کارامدی تغذیه ها می شود، بعلاوه موجب پیدایش عیوبی چون سردجوشی و تجمع لایه های اکسیدی در قطعه می شود.
در این پژوهش با حل معادلات برنولی، دبی جریان سیال در هر یک از راهگاه های فرعی یک سیستم راهگاهی چند راهباره ای بدست آمد و از الگوریتم بهینه سازی ژنتیک با تغییر ابعاد راهگاه های فرعی و اصلی، جهت بهینه سازی دبی جریان استفاده شد. هدف از بهینه سازی رسیدن به شرایط پرشدن یکنواخت قطعه توسط راهگاه های فرعی بود. استفاده از بهینه سازی منجر به رسیدن به طراحی نزدیک به حالت ایده آل گردید و بررسی الگوی جریان، حاصل از شبیه سازی به کمک نرم افزار SUTCAST، طرحهای بهینه و طرحهای اولیه موفقیت روش پیشنهادی را تایید کرد.
کلمات کلیدی: سیستم راهگاهی، بهینه سازی، الگوریتم ژنتیک
مقدمه
ریخته گری فلزات همانند خشت های اولیه برای ساختمان صنعت است که نقش حیاتی آن برای صنعت غیر قابل انکار است. با وجود مشخص بودن مسیر تبدیل فلز مذاب به قطعه نهایی، این روند همواره نیاز به کنترل همزمان ذوب کردن، آلیاژ سازی، قالب گیری، ریخته گری و انجماد دارد. عدم انجام درست هر یک از مرحله ها باعث بوجود آمدن قطعه معیوب خواهد شد .[1] یکی از عواملی که در سالم بودن قطعه تولیدی نقش اساسی دارد نحوه ورود به داخل محفظه قالب است، عمل انتقال مذاب به داخل محفظه قالب توسط سیستم راهگاهی صورت می گیرد. سیستم راهگاهی شبکه ای از کانال هایی است که فلز مذاب را به محفظه ی قالب میرساند 2]،.[1
جریان مذاب در داخل سیستم راهگاهی به دلیل نوع حرکت مذاب و مسیر آن، الگوی بسیار پیچیده ای در هنگام پر شدن محفظه ی قالب دارد. از طرفی یک سیستم راهگاهی مناسب باید بتواند محفظه ی قالب را به سرعت پر کند، از ورود هوا به مذاب جلوگیری کند، اکسیداسیون مذاب را به حداقل برساند، از ورود ناخالصی ها به محفظه قالب ممانعت نماید و حداقل تلاطم و سایش را ایجاد کند .[ 3 ]مطالعات روی راهگاه اصلی مستقیم و با آلومینیوم خالص نشان داد راهگاه فرعی دورتر حدود 60 درصد مذاب را عبور می دهد. البته در صورتی که نسبت سطح مقطع راهگاه اصلی به راهگاه فرعی کم باشد، مذاب اولیه وارد راهگاه فرعی دورتر و با افزایش نسبت، وارد راهگاه فرعی نزدیک تر می شود مذاب تمایل دارد در مسیر مستقیم در راهگاه اصلی حرکت کند.
اما با ادامه حرکت و وجود اصطکاک و انتقال حرارت، سرعت در مقابل راهگاه فرعی دورتر کاهش پیدا می کند. از طرفی مذاب با انتهای راهگاه اصلی برخورد می کند و فشار مذاب در مقابل راهگاه فرعی پایانی افزایش پیدا می کند. عبور بیشتر جریان مذاب از راهگاه فرعی دورتر باعث ایجاد یک منطقه گرم می شود و مشکلات انجمادی را به وجود خواهد آورد .[4]پیروی از روش های آزمایش و خطا برای بدست آوردن یک طراحی بهینه در سیستم راهگاهی باعث صرف هزینه و زمان بسیاری می شود، از این رو در طی سال های اخیر تلاش های زیادی برای تولید و بهبود نرم افزار های مختلف شبیه سازی صورت گرفته است که بتواند جریان سیال در داخل قالب و نحوه ی انتقال حرارت و انجماد را پس از پر شدن قالب شبیه سازی نماید .[5]
استفاده از نرم افزار های شبیه سازی که از روش های FDM، FEM یا FVM برای حل معادلات تداوم و رینولدز استفاده می کنند هزینه محاسباتی بالایی دارند و بررسی جریان مذاب در سیستم راهگاهی بسیار زمان بر است. از این رو، مدلی برای سیستم راهگاهی ارایه شد که قسمت های مختلف آن را با گره و خط نشان می داد و برای بررسی جریان سیال از حل معدلات برنولی و تداوم استفاده کرد. در این روش پس از پر شدن کامل اجزای سیستم راهگاهی از مذاب، مشخصات قابل قبولی از جریان سیال به دست می آید که با تغییر پارامتر های سیستم راهگاهی می توان سیستم راهگاهی را بهینه کرد .[11-6]
از آنجایی که در سیستم های راهگاهی، که دارای راهگاه فرعی متعدد هستند وجود دبی جریان مذاب و فشار مذاب برابر در راهگاه های فرعی حین پر شدن محفظه ی قالب تاثیر بسزایی در کیفیت متالورژیکی و مکانیکی قطعه نهایی دارد [2]، از این رو طراحی بهینه سیستم راهگاهی برای نیل به این مقصود، امری ضروری به نظر میرسد. در هیچ یک از مطالعات انجام شده تا کنون روشی اتوماتیک و سریع برای بهینه سازی جریان سیال در سیستم راهگاهی پیشنهاد نشده است. از این رو، در این پژوهش با استفاده از روش گره-خط و الگوریتم بهینه سازی ژنتیک تلاش شده است که روشی ارایه شود که در کمترین زمان ممکن بهترین طراحی ممکن در یک سیستم راهگاهی با چند راهگاه فرعی در راستای برابر شدن دبی های جریان مذاب بدست آید.
مواد و روش تحقیق مدل سازی ریاضی
حل معادلات ناویر- استوکس برای بدست آوردن پارامتر های جریان سیال در داخل سیستم راهگاهی بسیار زمان بر است. برای بدست آوردن سریع مشخصات سیال در هر زمان و در قسمت های مختلف سیستم راهگاهی از روش خط-گره که توسط بردلی و همکاران پیشنهاد شده برای مدل سازی ریاضی اجزای مختلف سیستم راهگاهی استفاده شده است. در این روش برای هر راهگاه فرعی یک مسیر جداگانه تعریف می شود که هر مسیر از حوضچه بارریز شروع شده و با گذر از لوله ی بارریز و راهگاه اصلی به یکی از راهگاه های فرعی ختم می شود بدین ترتیب، تعداد راهگاه های فرعی تعداد مسیر های سیستم را مشخص می کند .[17] برای یک سیستم راهگاهی با چند راهگاه فرعی، چند مسیر تعریف می شود. معادله - 1 - برای انرژی حالت پایدار برای هریک از مسیر ها اعمال می شود، برای انرژی مکانیکی از رابطه ی برنولی معادله - 2 - استفاده می شود، همچنین برای اعمال اثر افت هایی که مذاب با گذر از اجزای مختلف سیستم راهگاهی از معادله - 3 - استفاده می شود که
