Привет, Хабр!
Уже более 5 лет мы используем численное моделирование в качестве метода решения различных инженерных задач:
Я, Олег Копаев, отвечаю в «Северстали» за численное моделирование, и сегодня я представляю вашему вниманию подборку наиболее интересных проектов, выполненных нами за прошедший год.
Моделирование – возможность изучить потоки жидкой стали в промежуточном ковше установки непрерывной разливки
Проверка различных гипотез – одно из наиболее востребованных направлений нашей работы. Вокруг всегда много «прорывных» идей: «наши конкуренты достигли…», «на конференции представлена технология будущего…», «новый технологический стартап…», некоторые из них выглядят экономически очень привлекательными. Существуют различные способы, как проверить, какие из этих идей могут быть применены в нашей компании и дадут целевую прибыль, а какие – нет. Можно рискнуть, потратить деньги и проверить в идею в рамках опытно-промышленной эксплуатации. Можно организовать НИОКР с внешним партнером и надеяться на удачу при выборе исполнителя. Однако практический опыт показывает, что наиболее эффективна самостоятельная проработка подобных инициатив силами профильных подразделений компании. И здесь численное моделирование становится неотъемлемой частью процесса принятия решений, которое позволяет при относительно небольших временных и финансовых затратах проверить работоспособность идеи.
Данный подход был использован нами в проекте по оценке возможности намотки стальных труб на катушку. Стальные трубы в катушках широко применяются при строительстве и ремонтах газовых и нефтяных скважин. Они позволяют сэкономить на операциях сборки/разборки бурильной колонны. Эти трубы производятся в относительно небольших диаметрах, до 100 мм. Перед нами были поставлены следующие вопросы:
![](https://habrastorage.org/webt/25/_q/t6/25_qt6gop4snzpqifpmpe_qpf_0.png)
Слева – неверные параметры техпроцесса, локальное смятие и разрушение трубы. Справа – труба диаметром 219 мм и толщиной стенки 6,5 мм сматывается на барабан диаметром 4 метра.
Больше всего мы любим проекты про взрывы и разрушения, поэтому с удовольствием взялись за создание модели полигонных испытаний труб большого диаметра. Компании, эксплуатирующие магистральные газопроводы, заинтересованы в том, чтобы в случае аварийной ситуации (можно загуглить картинки и видео по запросу «взрыв на газопроводе») был разрушен участок трубы минимальной протяженности, который можно будет быстро отремонтировать.
Сейчас для оценки трещиностойкости труб проводят масштабные полигонные испытания. Смысл простой – на полигоне собирается участок трубопровода, в нем создается высокое давление, в центральной части тестового участка трубопровода производится подрыв кумулятивного заряда, определяется длина образовавшейся трещины в каждом направлении.
![](https://habrastorage.org/webt/18/7m/my/187mmymilt-nv_gglhgxttpj65o.png)
Общая схема тестового участка
К сожалению, результаты испытаний всегда были слабо предсказуемыми, так как сейчас отсутствует однозначная зависимость между лабораторными свойствами металла трубы и успешностью прохождения полигонных испытаний. Для того чтобы выяснить, подходит ли выбранная марка стали, нам нужно произвести выплавку (минимум 350 тонн стали), прокатать листы, изготовить из них трубы, доставить на полигон, и только тогда мы сможем узнать результат.
Задача для моделирования – создать инструмент, который на основании лабораторных испытаний стального листа позволит с высокой точностью определить результат полигонных испытаний.
![](https://habrastorage.org/webt/iw/ys/gs/iwysgsak-pr9rsnq6fiq3-8a7rc.png)
Результаты виртуальных испытаний. В зависимости от механических свойств трубы трещина может распространяться линейно или закольцовываться
Нам удалось создать такой инструмент, и мы проводим виртуальные испытания наших самых прочных труб из марки стали X100 для магистральных газопроводов, эти трубы еще не используются в России. Кроме того, мы планируем разработать методику расчета устойчивости труб к распространению трещины на основании лабораторных испытаний и предложить ее нашим партнерам и клиентам.
Среди наших задач и более распространенные для черной металлургии расчеты процессов обработки металлов давлением. Расчеты таких процессов делает, наверное, каждый студент, обучающийся по профильной специальности, написано много книг и диссертаций. Но по разным причинам в этих расчетах часто используются существенные упрощения и допущения, например: «валки цилиндрические», «валки абсолютно жесткие», «станина клети абсолютно жесткая», «геометрия валка постоянна».
Такие упрощения не позволили бы нам выполнить очередной проект – определить оптимальную профилировку валков клети стана горячей прокатки, позволяющую минимизировать напряжения в валке и вероятность его разрушения. Поэтому в нашей модели:
![](https://habrastorage.org/webt/8i/u9/mq/8iu9mqwmvj4mgcbjfdtuupeasw4.png)
Модель клети стана горячей прокатки
Созданный инструмент позволил детально изучить процессы нагружения и износа рабочих валков стана горячей прокатки, разработать более эффективную профилировку.
![](https://habrastorage.org/webt/l8/_e/1z/l8_e1z-783n7gflmdkapc3l0lls.png)
Распределение напряжений в рабочих валках (слева) и области пластической деформации (справа) в начале и в конце кампании прокатки
В последние годы у ремонтных подразделений компании и у наших клиентов возник спрос на анализ процессов износа оборудования сыпучими средами. Пилотную работу по этой теме мы выполнили вместе с нашим партнером, компанией «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» в новом для себя программном продукте Rocky.
При добыче полезных ископаемых широко применяются карьерные самосвалы высокой грузоподъемности, каждый из них ежедневно выполняет десятки рейсов, включающих загрузку руды или пустой породы, транспортировку и выгрузку. Транспортируемые сыпучие среды обладают высокой абразивностью, поэтому кузов самосвала изнутри футерован специальными износостойкими сталями, но даже они требуют регулярной замены.
Горнодобывающие компании заинтересованы в снижении износа футеровки, увеличении срока ее службы. Существует два основных направления действий:
Для оценки эффективности применения различных сталей и геометрических решений мы создали и развиваем модель процесса эксплуатации кузова. Параллельно, самосвал с экспериментальными элементами футеровки день за днем перевозит железную руду и приближается к моменту сравнения результатов расчета и эксперимента.
![](https://habrastorage.org/webt/fb/7k/gq/fb7kgqd0boxue772hrraxntyqtg.png)
Процесс выгрузки породы из кузова карьерного самосвала
![](https://habrastorage.org/webt/ay/43/er/ay43er5uahrjm3mxcyxkuuyie34.png)
Распределение энергии, затраченной на износ футеровки кузова
Для любителей технической информации сообщаю, что мы используем программное обеспечение SIMULIA Abaqus, Ansys CFD, Autoform, расчетные станции Dell и Lenovo, самые новые из них имеют 64 ядра и 256 Гб оперативной памяти. Очень пригодился оптический 3D сканер. Для определения физико-механических свойств материалов мы используем собственные лаборатории и лаборатории наших партнеров, активно делимся данными о материалах с нашими клиентами. Один проект может занимать от часа до нескольких месяцев.
У нас еще много разных проектов в работе и в планах. Ваши отзывы и комментарии помогут нам писать чаще и предлагать интересную информацию с иллюстрациями.
Уже более 5 лет мы используем численное моделирование в качестве метода решения различных инженерных задач:
- определение параметров технологических процессов, которые не могут быть измерены в ходе натурных испытаний;
- оценка эффективности оборудования и технологий, планируемых к использованию;
- продвижение новых и уникальных продуктов клиентам;
- определение требований к механическим характеристикам перспективных материалов в технологиях будущего
Я, Олег Копаев, отвечаю в «Северстали» за численное моделирование, и сегодня я представляю вашему вниманию подборку наиболее интересных проектов, выполненных нами за прошедший год.
![](https://habrastorage.org/webt/l2/hh/ki/l2hhkiru6hv5kiueayoosff9ozu.png)
Моделирование – возможность изучить потоки жидкой стали в промежуточном ковше установки непрерывной разливки
Проверка различных гипотез – одно из наиболее востребованных направлений нашей работы. Вокруг всегда много «прорывных» идей: «наши конкуренты достигли…», «на конференции представлена технология будущего…», «новый технологический стартап…», некоторые из них выглядят экономически очень привлекательными. Существуют различные способы, как проверить, какие из этих идей могут быть применены в нашей компании и дадут целевую прибыль, а какие – нет. Можно рискнуть, потратить деньги и проверить в идею в рамках опытно-промышленной эксплуатации. Можно организовать НИОКР с внешним партнером и надеяться на удачу при выборе исполнителя. Однако практический опыт показывает, что наиболее эффективна самостоятельная проработка подобных инициатив силами профильных подразделений компании. И здесь численное моделирование становится неотъемлемой частью процесса принятия решений, которое позволяет при относительно небольших временных и финансовых затратах проверить работоспособность идеи.
Данный подход был использован нами в проекте по оценке возможности намотки стальных труб на катушку. Стальные трубы в катушках широко применяются при строительстве и ремонтах газовых и нефтяных скважин. Они позволяют сэкономить на операциях сборки/разборки бурильной колонны. Эти трубы производятся в относительно небольших диаметрах, до 100 мм. Перед нами были поставлены следующие вопросы:
- Можно ли производить и поставлять клиентам трубы в катушках большего диаметра, например, для строительства локальных трубопроводов, помочь сэкономить на сварке?
- Какие максимальные диаметры и толщины стенок можно обеспечить, из каких марок стали?
- Какое усилие необходимо для смотки и размотки такой трубы?
- На все эти вопросы мы смогли ответить, создав конечно-элементную модель, которая имитирует процесс смотки и позволяет варьировать управляющие параметры процесса.
![](https://habrastorage.org/webt/25/_q/t6/25_qt6gop4snzpqifpmpe_qpf_0.png)
Слева – неверные параметры техпроцесса, локальное смятие и разрушение трубы. Справа – труба диаметром 219 мм и толщиной стенки 6,5 мм сматывается на барабан диаметром 4 метра.
Больше всего мы любим проекты про взрывы и разрушения, поэтому с удовольствием взялись за создание модели полигонных испытаний труб большого диаметра. Компании, эксплуатирующие магистральные газопроводы, заинтересованы в том, чтобы в случае аварийной ситуации (можно загуглить картинки и видео по запросу «взрыв на газопроводе») был разрушен участок трубы минимальной протяженности, который можно будет быстро отремонтировать.
Сейчас для оценки трещиностойкости труб проводят масштабные полигонные испытания. Смысл простой – на полигоне собирается участок трубопровода, в нем создается высокое давление, в центральной части тестового участка трубопровода производится подрыв кумулятивного заряда, определяется длина образовавшейся трещины в каждом направлении.
![](https://habrastorage.org/webt/18/7m/my/187mmymilt-nv_gglhgxttpj65o.png)
Общая схема тестового участка
К сожалению, результаты испытаний всегда были слабо предсказуемыми, так как сейчас отсутствует однозначная зависимость между лабораторными свойствами металла трубы и успешностью прохождения полигонных испытаний. Для того чтобы выяснить, подходит ли выбранная марка стали, нам нужно произвести выплавку (минимум 350 тонн стали), прокатать листы, изготовить из них трубы, доставить на полигон, и только тогда мы сможем узнать результат.
Задача для моделирования – создать инструмент, который на основании лабораторных испытаний стального листа позволит с высокой точностью определить результат полигонных испытаний.
![](https://habrastorage.org/webt/iw/ys/gs/iwysgsak-pr9rsnq6fiq3-8a7rc.png)
Результаты виртуальных испытаний. В зависимости от механических свойств трубы трещина может распространяться линейно или закольцовываться
Нам удалось создать такой инструмент, и мы проводим виртуальные испытания наших самых прочных труб из марки стали X100 для магистральных газопроводов, эти трубы еще не используются в России. Кроме того, мы планируем разработать методику расчета устойчивости труб к распространению трещины на основании лабораторных испытаний и предложить ее нашим партнерам и клиентам.
Среди наших задач и более распространенные для черной металлургии расчеты процессов обработки металлов давлением. Расчеты таких процессов делает, наверное, каждый студент, обучающийся по профильной специальности, написано много книг и диссертаций. Но по разным причинам в этих расчетах часто используются существенные упрощения и допущения, например: «валки цилиндрические», «валки абсолютно жесткие», «станина клети абсолютно жесткая», «геометрия валка постоянна».
Такие упрощения не позволили бы нам выполнить очередной проект – определить оптимальную профилировку валков клети стана горячей прокатки, позволяющую минимизировать напряжения в валке и вероятность его разрушения. Поэтому в нашей модели:
- геометрия и схема работы клети соответствуют реальности;
- станина является деформируемой;
- валки имеют профилировку;
- валки являются деформируемыми, к рабочим валкам приложено усилие противоизгиба;
- учитывается износ поверхности валка в течение кампании прокатки.
![](https://habrastorage.org/webt/8i/u9/mq/8iu9mqwmvj4mgcbjfdtuupeasw4.png)
Модель клети стана горячей прокатки
Созданный инструмент позволил детально изучить процессы нагружения и износа рабочих валков стана горячей прокатки, разработать более эффективную профилировку.
![](https://habrastorage.org/webt/l8/_e/1z/l8_e1z-783n7gflmdkapc3l0lls.png)
Распределение напряжений в рабочих валках (слева) и области пластической деформации (справа) в начале и в конце кампании прокатки
В последние годы у ремонтных подразделений компании и у наших клиентов возник спрос на анализ процессов износа оборудования сыпучими средами. Пилотную работу по этой теме мы выполнили вместе с нашим партнером, компанией «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» в новом для себя программном продукте Rocky.
При добыче полезных ископаемых широко применяются карьерные самосвалы высокой грузоподъемности, каждый из них ежедневно выполняет десятки рейсов, включающих загрузку руды или пустой породы, транспортировку и выгрузку. Транспортируемые сыпучие среды обладают высокой абразивностью, поэтому кузов самосвала изнутри футерован специальными износостойкими сталями, но даже они требуют регулярной замены.
Горнодобывающие компании заинтересованы в снижении износа футеровки, увеличении срока ее службы. Существует два основных направления действий:
- использование более устойчивых к износу материалов;
- оптимизация геометрии футеровки и/или использование различных схем, изменяющих характер движения сыпучей среды по поверхности.
Для оценки эффективности применения различных сталей и геометрических решений мы создали и развиваем модель процесса эксплуатации кузова. Параллельно, самосвал с экспериментальными элементами футеровки день за днем перевозит железную руду и приближается к моменту сравнения результатов расчета и эксперимента.
![](https://habrastorage.org/webt/fb/7k/gq/fb7kgqd0boxue772hrraxntyqtg.png)
Процесс выгрузки породы из кузова карьерного самосвала
![](https://habrastorage.org/webt/ay/43/er/ay43er5uahrjm3mxcyxkuuyie34.png)
Распределение энергии, затраченной на износ футеровки кузова
Для любителей технической информации сообщаю, что мы используем программное обеспечение SIMULIA Abaqus, Ansys CFD, Autoform, расчетные станции Dell и Lenovo, самые новые из них имеют 64 ядра и 256 Гб оперативной памяти. Очень пригодился оптический 3D сканер. Для определения физико-механических свойств материалов мы используем собственные лаборатории и лаборатории наших партнеров, активно делимся данными о материалах с нашими клиентами. Один проект может занимать от часа до нескольких месяцев.
У нас еще много разных проектов в работе и в планах. Ваши отзывы и комментарии помогут нам писать чаще и предлагать интересную информацию с иллюстрациями.