DEVELOPMENT OF A SIMULATION-BASED METHODOLOGY FOR MOLD DESIGN OPTIMIZATION AND RELIABILITY ASSESSMENT OF CAST PARTS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (PhD Dissertation) Khan_Muhammad_Azhar_Ali_201309250_Dissertation.pdf Download (7MB) | Preview

Arabic Abstract

بشكل متزايد يتم استخدام برامج المحاكاة في مصانع سبك وصب المعادن الحديثة. تحاكي البرامج عملية الصب بطريقة افتراضية وتقدم نظرة دقيقة لِطريقة ملء القالب والتجمد والتبريد وكذلك لعيوب الصب. تُمكّن عمليات المحاكاة المصممين من نمذجة عملية الصب والتحقق منها والتحقق من صحتها. إن تكرار عمليات المحاكاة يقود إلى تحسين معايير التصميم والمعالجة قبل القيام بتصنيع القطع. هذه القطع من المفترض أن تكون خالية من المسامية والعيوب التصنيعية ولكن في الواقع ونتيجة لتعقيد عملية تجمد المواد تحت ظروف مختلفة لابد من وجود حد أدنى من المسامية والعيوب التصنيعية. لذلك من الضروري تقييم الأداء الميكانيكي ودقة منتجات عمليات الصب بما تحتويه من العيوب المتوقعة من عمليات المحاكاة. يركز هذا البحث على تطوير استراتيجية لتحليل شامل لعمليات الصب في مجال افتراضي بالاستفادة من أدوات صب المعادن والمحاكاة بواسطة طريقة العناصر المنتهيةFEM المتقدمة. المواد قيد الدراسة هي الفولاذ المصبوب ASTM A216 WCB والحديد المصبوب المرن GGG-40 وذلك لاستخدامهما على نطاق واسع في مصانع السبك الحديثة لمجموعة من منتجات الصب. تم تطوير واختبار منهجية للتحليل الشامل من المهد إلى اللحد لعينات قياسية لاختباري الشد والإجهاد المُصنعة كمصبوب في القالب الأمثل المُنتج بواسطة برنامج MAGMASOFT . تُعتبر العينات منتجات صب بسيطة تعتمد عليها تصاميم القوالب المبدئية وفقاً للمعايير القياسية وخبرات العاملين في مصانع السبك. تتم محاكاة تصميم القالب الأولي من خلال MAGMASOFT للتنبؤ بالعيوب المصنعية ولتقليل هذه العيوب -خاصةَ المسامية- للحد الأدنى أو بحيث تخلو من العيوب وكذلك لتحسين التصميم. تستخدم تصميمات القوالب المُحسنة في صب العينات في مسبك. بعد محاكاة المسامية والتي تم تقليلها من خلال تحسين تصميم القالب يتم رسمها لمحاكاتها بواسطة طريقة العناصر المنتهية لتقييم الأداء الميكانيكي لعناصر الصب من خلال برنامج ABAQUS. يتم استخدام نماذج تلف اختبار الإجهاد لتقدير حياة (الوقت المستغرق حتى التلف) منتجات الصب بواسطة برنامج fe-safe. يتم تحديد موثوقية المنتجات المصبوبة من خلال طرق إحصائية باستخدام نموذج تداخل قوة الإجهاد-الضغط. تم حساب الموثوقية لافتراضيات مختلفة مثل التوزيع الحتمي وتوزيع ايبول Weibull والتوزيع الطبيعي للحمل الناتج عن الضغط المستحث. كما تم افتراض نسب متفاوتة من الحمل الناتج عن الضغط المستحث والتفاوت في قوة المادة. بعد ذلك تم اختيار وتحليل مجموعة منتجات مصبوبة قيد التشغيل ومتوسطة التعقيد ابتداءً من تصميم القالب إلى تقييم الأداء بناءً على المنهجية المطورة والمختبرة للتحليل الشامل. تعطي نتائج الدراسة مقاييس ينبغي اتخاذها للتقليل من تلف المنتجات المصبوبة بواسطة تطوير قالب شبه مثالي في الواقع الافتراضي قبل تصنيعه في مسبك، منهجية متناسقة لتحليل شامل للمنتجات المصبوبة بواسطة دمج محاكاة الصب وطريقة العناصر المنتهية، ومعايير قبول صارمة لقطع صب عالية الجودة بناءً على تقييم الموثوقية خلال التشغيل.

English Abstract

Casting simulation software are increasingly being used in modern foundries and metal casting industries. Software simulate the casting process in a virtual domain and provide insight into mold filling, solidification and cooling, and casting defects. Casting simulations allow designers to model, verify and validate the process, iteratively leading to optimized design and process parameters before actually producing the cast parts. These cast parts are supposed to have no porosity or defect, however, in reality due to complexity of metal solidification under different boundary conditions there may be some minimal porosity or defects still exist. Thus it is essential to evaluate the mechanical performance and reliability of cast products with defects predicted by casting simulations. This research focuses on the development of a strategy for cradle to grave analysis of castings in a virtual domain by utilizing advanced metal casting and FEM simulation tools. The materials under consideration are ASTM A216 WCB cast steel and GGG-40 ductile cast iron due to their widespread use in modern foundries for a range of cast products. A methodology for cradle to grave analysis of cast products is developed and validated for standard tensile and fatigue test specimens produced as castings made in MAGMASoft based optimized mold. The specimens are considered as simple cast products for which the initial mold designs are based on standards and expertise of foundrymen. Initial mold design is simulated in MAGMASoft to predict defects, to reduce these defects (primarily porosity) to minimum or none, and to optimize the design using the software. The optimized mold designs are used to cast specimens in a foundry. Simulated porosity, which is minimized through mold design optimization, is then mapped to finite element simulations to evaluate the mechanical performance of the cast components in ABAQUS. Fatigue damage models are used to estimate the life (time to failure) of cast products using fe-safe. The reliability of the cast products is determined through probabilistic methods using fatigue strength-stress interference model. The reliability is computed for different scenarios such as deterministic, Weibull and Normal distributed load induced stresses, zero and some percent variability in load-induced stresses, and variability in material’s strength. Next, moderately complex cast product(s) in service are selected and analyzed from mold design to reliability assessment based on the developed and validated methodology for cradle to grave analysis. The results of the study provide measures which should be taken to reduce failure of cast products by developing a near optimal mold in virtual reality before making it in a foundry, a systematic methodology for cradle to grave analysis of cast products by integrating casting simulation and finite element interfaces, and a stringent acceptance criteria for critical high value cast parts based on the reliability assessment during service life.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Sheikh, Anwar Khalil
Committee Members:	Khan, Zafarullah and Gasem, Zuhair and Akhtar, Syed Sohail and Abdulhamid, Anwar-ul-Hamid
Depositing User:	MUHAMMAD A KHAN (g201309250)
Date Deposited:	12 Jul 2018 06:16
Last Modified:	18 Jun 2020 10:17
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140767