Experimental and statistical analysis of results of casting simulation software

Abstract

Työn yleisenä tavoitteena oli tarkastella valunsimulointiohjelmistojen edellytyksiä tuottaa pallografiittivalurautavalujen paikallisten mikrorakenteiden ja ominaisuuksien rikkomattomaan ennakointiin ja varmentamiseen liittyvää riittävän oikeellista ja hyödyntämiskelpoista tietoa. Työn spesifisenä tavoitteena oli tarkastella käytännön keinoja ja ongelmia valunsimulointiohjelman tulosten sovittamisessa vastaamaan paremmin kokeellisesti mitattuja tuloksia. Työssä tutkittiin myös mahdollisuuksia kehittää menetelmä, jonka avulla valunsimulointiohjelman tuloksien perusteella suunnitellaan tapauskohtaisesti erillinen koevalukappale, jonka tietyn pisteen jäähtymiskäyrät ja muut jähmettymistekijät vastaisivat varsinaisen kappaleen halutun pisteen vastaavia tekijöitä.

Herkkyysanalyysin avulla tutkittiin materiaaliparametrien ja muiden alkuasetusarvojen vaikutuksia valunsimulointiohjelman tuloksiin. Herkkyysanalyysin tuloksia apuna käyttäen pyrittiin sovittamaan simulointiohjelman laskemat jäähtymiskäyrät varsinaisesta valukappaleesta kokeellisesti mitattuihin jäähtymiskäyriin. Kokeessa havaittiin valunsimulointiohjelman makroskooppisen mallin puutteet eutektisen sekä eutektoidisen reaktion laskennassa. Toisaalta kokeessa todettiin, että makroskooppisellakin laskentamallilla saadaan oikeellisia tuloksia sillä edellytyksellä, että materiaaliparametrit ovat rajoitettujenkin mittaustulosten perusteella korjattuja. Tällä tavalla simulointiohjelmalla voidaan laskea riittävällä tarkkuudella esimerkiksi jäähtymisnopeuksia tai tiettyjen lämpötilavälien jäähtymisaikoja. Simulointiohjelman laskemille jäähtymisnopeuksille voidaan hakea vastaavuudet esimerkiksi tekemällä regressioanalyysi empiirisille tuloksille. Periaatteessa kappaleen lopulliset mekaaniset ominaisuudet voidaan edelleen liittää laskettuihin jäähtymisnopeuksiin.

Räätälöityyn koevalukappaleeseen perustuvan menetelmän kehittämismahdollisuuksien tarkastelemiseksi tutkittiin erilaisten kappaleiden simuloituja jäähtymiskäyriä sekä verrattiin niitä laakerinpesävalusta laskettuihin jäähtymiskäyriin. Räätälöidyn koevalukappaleen kehittäminen on kuitenkin astetta vaativampi tehtävä kuin simuloitujen jäähtymiskäyrien sovittaminen kokeellisesti mitattuihin jäähtymiskäyriin. Kokeessa kehitettiin geometria, jonka tietyn pisteen jäähtymiselle saatiin riittävän tarkaksi arvioitu vastaavuus sekä laakerinpesän kokonaisjäähtymisaikaan että jäähtymisnopeuksiin 650°C ja 900°C:ssa. Koevalukappaleesta tuli kuitenkin varsin massiivinen, eikä aineenkoetusnäytteen valmistaminen siitä ole kovinkaan helppoa. Menetelmän kehittäminen vaatiikin jatkossa koevalukappaleen muotoilun kehittämistä ja jäähtymisympäristön modifiointia ja esimerkiksi eristeiden hyödyntämistä kappaleen massan rajoittamiseksi. Simulointiohjelman hyödyntämistä räätälöidyn koevalukappaleen mitoittamisessa voidaan pitää tehtyjen tarkasteluiden perusteella toimivana lähtökonseptina kehitettäessä varsinaista valukappaletta rikkomatonta menetelmää.