Temat 7:

Źródła informacji i

komputerowe

wspomaganie doboru

materiałów

asady doboru materiałów konstrukcyjnych

Ogólne informacje o systemach

komputerowego wspomagania projektowania

materiałowego

Nowe specjalność inżynierskie (komputerowa
nauka o materiałach) (computational materials
science);

Obszerne bazy danych (internet, dyski CD);

Książki;

Programy np.: Materials Selector, CMS, CES itp.

Poglądowe i dydaktyczne, jednak zwykle nie

odpowiadają wszystkim oczekiwaniom

projektanta

asady doboru materiałów konstrukcyjnych

System komputerowy

wspomagania doboru materiałów inżynierskich

Umożliwia wspomaganie doboru materiałów
inżynierskich

wyniku

automatycznego

przeszukiwania bardzo obszernych baz danych
według ściśle określonych kryteriów.

asady doboru materiałów konstrukcyjnych

System komputerowy

wspomagania doboru materiałów inżynierskich

Zadaniem użytkownika (projektanta) systemu

jest określenie kryteriów, jakie powinien

spełniać materiał.

Kryteria: własności, skład, możliwe do

zastosowania metody obróbki materiału, postać

półproduktu, jak i poszczególne

grupy materiałów inżynierskich.

Lista

materiałów

System komputerowy

główne moduły:

•System relacyjnych baz danych;

•System wyszukiwania danych
na podstawie zbioru zadanych
kryteriów;

•System wyszukiwania
zamienników;

•System prezentacji danych oraz
przygotowania raportów.

System relacyjnych baz danych

Składa się z kilkunastu tabel

jest otwarty i umożliwia wprowadzanie

nowego rodzaju informacji oraz danych

o dodatkowych materiałach.

System relacyjnych baz danych

Bazą główną systemu jest tablica zawierająca podstawowe dane o
skatalogowanych materiałach.

Kolejne (tablice) zawierają dane o przynależności do jednej z grup

materiałów:

•

dane dotyczące składników (minimalne i maksymalne stężenie
lub udział składników),

•

dane o własnościach materiałów z oznaczeniem jednostki,

•

metody badania i wartości danej własności,

•

o postaci, w jakiej dostępny jest materiał,

•

dane o zastosowaniu materiału, o odpowiednikach według
norm zagranicznych i organizacji międzynarodowych

•

tablicę z elementami graficznymi powiązanymi z materiałami
(np. wykresy, rysunki, fotografie).

System wyszukiwania danych na podstawie zbioru

zadanych kryteriów

Mechanizm wyszukiwania danych

oparty jest na dynamicznie

dynamicznie

modyfikowanej

tabeli zawierającej w

poszczególnych rekordach kolejne

kryteria ustalone przez użytkownika.

System wyszukiwania danych na podstawie zbioru

zadanych kryteriów

Dostępne kryteria:

•przynależność do grupy materiałów,

•własności (dla każdej własności można określić przedział
wartości),

•składniki (stężenie lub udział procentowy w materiale),

•możliwości stosowania obróbki (wraz z ewentualnym
określeniem temperatury tej obróbki),

•zastosowanie materiału,

•postać w jakiej materiał jest dostępny,

•dobór odpowiedników według norm zagranicznych.

System wyszukiwania danych na podstawie zbioru

zadanych kryteriów

Efektem działania funkcji narzucającej kryteria na bazę danych jest
udostępnienie bazy zawierającej wyłącznie materiały spełniające
koniunkcję logiczną wszystkich kryteriów (wymogów).

Dla każdego z kryteriów wybranych przez użytkownika kolejno są
analizowane materiały pod kątem spełnienia warunku zawartego
w kryterium.

W kolejnych krokach

pętli głównej

funkcji sprawdzania kryteriów,

baza zostaje ograniczona wyłącznie do materiałów spełniających
kolejne kryteria. Dzięki takiej optymalizacji nie wykonuje się
zbędnego sprawdzania materiałów, które zostały wcześniej
odrzucone jako niespełniające któregoś z poprzednich kryteriów.

System wyszukiwania zamienników wybranego

materiału

Kryteriami porównywania mogą być:

1.Stężenie;
2.udział określonego składnika;
3.wymagana wartość danej własności;
4.możliwość stosowania określonego procesu
obróbki;
5. zastosowanie;
6.dostępność w danej postaci.

Dla każdego aktywnego kryterium

podobieństwa określa się wymagany

stopień zgodności (w %).

Moduł prezentacji danych oraz przygotowania

raportów

Dane uzupełniające dostępne w oknach dodatkowych zawierają takie
informacje, jak:

•własności materiału,

•odpowiedniki zagraniczne wybranego materiału,

•ilustracje,

•zdjęcia lub wykresy

•powiązane z materiałem, metody obróbki wraz z informacją o warunkach
przeprowadzania procesów technologicznych.

Składa się z okna z listą materiałów spełniających

aktualne kryteria oraz okien prezentujących

wszystkie dane powiązane z materiałem.

Zawartość tych okien składają się:

•nazwa materiału,

•numer Polskiej Normy,

•krótki opis słowny materiału,

•postaci, pod którymi materiał
jest dostępny,

• zastosowania.

Moduł prezentacji danych oraz przygotowania

raportów

Raport

Po zakończeniu procedury wyszukiwania,

zawiera wszystkie dane materiału zawarte

w oknie podstawowym oraz w oknach

uzupełniających.

Korzystając z odpowiednich opcji programu można

uzyskać wydruk danych dotyczących pojedynczego

materiału lub wszystkich materiałów spełniających

wybrane kryteria.

INNE SYSTEMY KOMPUTEROWEGO WSPOMAGANIA DOBORU

MATERIAŁÓW

W czołowych ośrodkach naukowych trwają prace nad
kolejnymi aplikacjami inżynierskimi umożliwiającymi
komputerowe wspomaganie doboru materiałów
inżynierskich do specjalnych zastosowań.

Postęp w tym zakresie jest szczególnie ważny, gdyż
udostępniane systemy komputerowe eliminują błędy
grube popełniane nierzadko przy stosowaniu
tradycyjnych metod, jak również stanowią nieodzowne
elementy systemów wspomagania prac inżynierskich
CAx, tzn. CAD/CAM/CAMD (komputerowe wspomaganie
projektowania/wytwarzania/ projektowania
materiałowego).

INNE SYSTEMY KOMPUTEROWEGO WSPOMAGANIA DOBORU

MATERIAŁÓW

Głównym zadaniem programu komputerowego

wspomagania

doboru stali

doboru stali CASS (computer aided steels selection jest
wspomaganie opracowywania technologii obróbki cieplnej i

technologii obróbki cieplnej i

cieplno–chemicznej

stali konstrukcyjnych, prawidłowo dobranej

ze względu na ustalony zbiór kryteriów.

KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE DOBORU

STALI KONSTRUKCYJNYCH

KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE DOBORU STALI KONSTRUKCYJNYCH

dobór stali na elementy konstrukcyj

dobór stali na elementy konstrukcyjne obrabiane cieplnie
i cieplno – chemicznie, przy zapewnieniu
wymaganych własności użytkowych i spełnieniu innych wymagań
i ograniczeń stawianych przez konstruktora, wynikających z
warunków eksploatacji, a także z dostępności urządzeń możliwych
do wykorzystania podczas obróbki cieplnej oraz innych kryteriów
ekonomicznych i ekologicznych,

opracowanie technologii obróbki cieplnej i cieplno–

chemiczne

chemicznej (dobór operacji technologicznych, dobór temperatury
i czasu hartowania i odpuszczania, ośrodka
chłodzącego, warunków obróbki cieplno–chemicznej
itp.),

dobór zamienników

dobór zamienników danej stali spośród produkowanych w
innych krajach lub objętych normami ISO i EN,

kalkulacja kosztów

kalkulacja kosztów obróbki cieplnej i cieplno–chemicznej.

Do głównych funkcji realizowanych przez system
należą:

KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE DOBORU STALI KONSTRUKCYJNYCH

System ten umożliwia także:

•obliczanie wskaźników hartowności (średnicy krytycznej, pasma
hartowności) na podstawie informacji o składzie chemicznym,
wielkości ziarna i intensywności chłodzenia,

•określenie własności mechanicznych, użytkowych, fizycznych i
technologicznych stali w zależności od warunków obróbki cieplnej i
cieplno–chemicznej,

•opracowywanie zestawień stali możliwych do zastosowania na
określone

elementy

konstrukcyjne

zestawień

elementów

konstrukcyjnych możliwych do wykonania z danej stali.

KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE DOBORU STALI KONSTRUKCYJNYCH

stali
konstrukcyjnych

Opracowany system bazuje na bazach

danych

urządzeń i środków
technologicznych

typowych elementów
konstrukcyjnych

Ogólny schemat

struktury

i działania systemu

Informacje uzupełniające schemat struktury systemu

przedstawionego

Informacje uzupełniające schemat struktury systemu

przedstawionego

Wynikiem pracy systemu

są

karty technologiczne obróbki cieplnej i cieplno–

chemicznej analizowanych elementów konstrukcyjnych

raporty częściowe lub

pełne wynikające z funkcji

użytkowych systemu lub

obliczeń realizowanych

przez procedury

obliczeniowe, a także w

formie wykresów

zapisy w bazie wyników,

umożliwiające bieżące

uzupełnienie bazy wiedzy

oraz

współpracę z programami

zewnętrznymi

Informacje uzupełniające schemat struktury systemu

przedstawionego

Informacje uzupełniające schemat struktury systemu

przedstawionego

System komputerowego wspomaganie doboru
stali konstrukcyjnych umożliwia również
komunikowanie się z innymi programami, które
mogą wykorzystywać pośrednie wyniki jego
pracy. Do programów tych mogą należeć:

•program sterowania harmonogramem
produkcji w zakładzie,

•programy rachunkowo – księgowe,

•inne programy, korzystające z danych
zawartych w bazie wyników.

Modelowanie wpływu składu chemicznego na

hartowność stali

Projektowanie składu chemicznego stali ze względu na założony
przebieg wytypowanych własności w funkcji wybranych
parametrów, lub ze względu na przebieg krzywej hartowności
określonej metodą Jominy’ego

Z użyciem sieci neuronowych opracowano modele zależności
między składem chemicznym i hartownością stali stopowych
konstrukcyjnych i maszynowych.

Inne !!!

Modelowanie wpływu składu chemicznego na

hartowność stali

Próba Jominy'ego - metoda określenia hartowności metalu.
Polega na czołowym oziębianiu próbki (średnica 25mm,
długość 100mm, po austenityzowaniu) wodą. Następnie
mierzy się twardość wzdłuż dwóch przeciwległych
tworzących co: 2 odcinki co 1,5mm, 6 co 2 mm i dalsze co
5mm. Dane nanosi się na wykres odległości od czoła [mm]
w funkcji twardości [HRC].

Sieć neuronowa (sztuczna sieć neuronowa) to ogólna
nazwa struktur matematycznych i ich programowych lub
sprzętowych

modeli,

realizujących

obliczenia

lub

przetwarzanie

sygnałów

poprzez

rzędy

elementów,

zwanych sztucznymi neuronami, wykonujących pewną
podstawową operację na swoim wejściu. Oryginalną
inspiracją takiej struktury była budowa naturalnych
neuronów oraz układów nerwowych, w szczególności
mózgu.

Projektowanie składu chemicznego stali na podstawie

żądanego przebiegu krzywej hartowności

Program można wykorzystać w pełnym zakresie stężeń

podstawowych pierwiastków stopowych występujących w stalach

stopowych konstrukcyjnych i maszynowych, do modelowania

hartowności oraz do symulacji zależności twardości w założonej

odległości od czoła próbki Jominy’ego, od składu chemicznego stali.

Inne !!!

Określenie składu chemicznego stali na podstawie

wymaganego przebiegu krzywej hartowności

Ocena wpływu Si i Cr na twardość w
odległości 25 mm od czoła próbki
Jominy’ego ze stali zawierającej
0,3% C, 0,6% Mn, 0,1% Ni i 0,3% Mo

Ocena wpływu Mo i Si na twardość w
odległości 25 mm od czoła próbki
Jominy’ego ze stali zawierającej

0,3% C, 1,1% Mn, 1,2% Cr i 1,2% Ni

Prognozowanie własności mechanicznych stali

konstrukcyjnych z zastosowaniem sieci neuronowych

Sztuczne sieci neuronowe zastosowano do wyznaczania granicy
plastyczności Re (Rp0,2), wytrzymałości na rozciąganie Rm oraz
wydłużenia A na podstawie składu chemicznego i temperatury
obróbki cieplnej stali konstrukcyjnych.

Błąd średni dla granicy plastyczności, wytrzymałości na

rozciąganie

i wydłużenia wyniósł (zamieszczone wykresy): 4,3%, 2,6% i

9%.

Inne !!!

Inne zastosowania wykorzystujące sieci neuronowe

•

Przewidywanie twardości stali konstrukcyjnych chłodzonych
z temperatury austenityzowania;

•

Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych do
wyznaczania temperatury Ac1 i Ac3 stali konstrukcyjnych;

•

Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych do
wyznaczania temperatury początku przemiany
martenzytycznej;

•

Komputerowe modelowanie kinetyki przemian austenitu
przechłodzonego stali konstrukcyjnych i maszynowych

•

Ocena wpływu pierwiastków stopowych na wybrane
charakterystyczne wartości występujące na wykresach CTP

•

Modelowanie wybranych własności stali szybkotnących-
temperatura

Błąd średni dla granicy plastyczności, wytrzymałości na

rozciąganie

i wydłużenia wyniósł (zamieszczone wykresy): 4,3%, 2,6% i

9%.

Modelowanie wybranych własności stali szybkotnących-

temperatura

Przedstawiona metoda, stosująca sztuczne sieci
neuronowe, pozwala na obliczanie twardości stali
szybkotnących po obróbce cieplnej na podstawie składu
chemicznego i parametrów obróbki cieplnej.

Wykresy CTPc dla stali zawierającej 0,36% C, 0,69% Mn, 0,29% Si, 1,09% Cr, 0,08%
Ni, 0,07% Mo, 0,01% V i 0,12% Cu austenityzowanej w 860°C;
a) wyznaczony doświadczalnie,
b) Obliczony (według J. Trzaski)