Projekti / Programi
Večfizikalno in večnivojsko numerično modeliranje za konkurenčno kontinuirno ulivanje
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.13.00 |
Tehnika |
Procesno strojništvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T450 |
Tehnološke vede |
Kovinska tehnologija, metalurgija, kovinski izdelki |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
jeklo, kontinuirno ulivanje, inteligentna proizvodnja, večfizikalno in večnivojsko modeliranje, vrhunski izdelki, ekološko načrtovanje proizvodnje
Raziskovalci (18)
Organizacije (2)
Povzetek
Sofinancer projekta je vrhunski slovenski izdelovalec jekla Štore Steel. Podjetje je globalno poznano zaradi vrhunskih izdelkov, ki se uporabljajo v avtomobilski, letalski, vesoljski, športni in vojaški industriji. Izdelke tovarna večinoma izvaža na zahtevne tuje trge, kjer izstopajo po tehnični dovršenosti in po preseganju standardov visoke kvalitete, postavljenih s strani kupcev. Podjetje lahko sprejema posebna naročila in odjemalcem omogoča hitro dobavo.
Vsebina predlaganega projekta se nanaša na sosledje naših prejšnjih, uspešno zaključenih aplikativnih projektov: L2-5387 (2002-2005) Modeliranje in optimizacija za konkurenčno kontinuirno litje, L2-9508 (2006-2009) Simulacija mikrostrukture za kontinuirno ulivanje jekel z vrhunsko kvaliteto, L2-3651 (2010-2014) Simulacija in optimizacija ulivanja, valjanja in toplotne obdelave za konkurenčno proizvodnjo vrhunskih jekel, L2-6775 (2004- 2007) Simulacija industrijskih procesov strjevanja pod vplivom elektromagnetnih polj ter povezanih projektov okvirnih programov EU, projektov z ZDA in Kitajsko. S pomočjo pridobljenega znanja smo z naprednimi numeričnimi modeli opremili in avtomatizirali novo, v letu 2016 instalirano, napravo za kontinuirno ulivanje jekla.
Podjetje sistematično vlaga v izboljšano kontinuirno ulivanje brez napak s ciljem vrhunske kvalitete izdelkov. Ti napori so močno odvisni od naprednih numeričnih simulacij procesa. Namen predlaganega predkonlkurenčnega projekta je nadaljnji razvoj in izboljšanje časovno povezanih in nepovezanih modelov kontinuirnega ulivanja za napoved in odpravljanje napak ulivanja kot so: makroizcejanje, vključki, izkrivljanja oblike, poroznost, vroče trganje, zmanjšana kvaliteta površine ter razpoke v notranjosti in na površini.
V okviru projekta bo nadalje vzpostavljen model ulivanja, ki bo upošteval več fizikalnih pojavov na več merilih z večciljno optimizacijo. Model bo povezal termomehanske, termofluidne, termodinamske, elektromagnetne, magnetohidrodinamske in transportne pojave od vrha kokile do ohlajanja gredic. Tako kompleksen model še ni bil razvit in bo vodilen v svetovnem merilu. Sklopitev prek več meril bo povezala procesne parametre z makrostrukturo, mikrostrukturo in fizikalnimi lastnostmi izdelka. Fizikalni modeli bodo povezani prek sklopljenih rešitev elektromanetega, temperaturnega, hitrostnega, koncentracijskega, deformacijskega in napetostnega polja. Večciljna optimizacija bo omogočala nastavitev optimalnih procesnih parametrov v odvisnosti od hitrosti litja, kvalitete izdelka in/ali vpliva na okolje.
Makrostrukturni modeli bodo upoštevali mehaniko kontinuuma, sklopljene enačbe za prenos snovi, gibalne količine, energije, turbulentne kinetične energije in disipacije ter sestavin v Eulerjevem sistemu. Mikroskopski modeli bodo osnovani na naši originalno razviti metodi točkovnih avtomatov ter metodi faznega polja. Elektromagnetno polje je izračunano preko Maxwellovih enačb. Modeli bodo ovrednoteni v realistični tri dimenzionalni postavitvi z uporabo naših izvirno razvitih ter večkrat nagrajenih brezmrežnih metod. Numerična izvedba bo temeljila na enoviti programski platformi, ki bo razvita za potrebe tega projekta. Sistem bo uporabljal razcep območja. Tako bo izkoristil vzporedne računske zmožnosti modernih superračunalnikov na katerih bo instaliran. Modeli bodo umerjeni z meritvami v industrijskih obratih, z laboratorijsko karakterizacijo materialov in podobnostnimi vodnimi modeli. Končni cilj modeliranja je napovedovanje lastnosti izdelka v odvisnosti od procesnih parametrov ter ocenjevanje morebitnih projektnih sprememb pri livnih napravah.
Pričakovani učinki novega znanja so: izboljšana kakovost, povečanje kapacitet proizvodnje ter produktivnosti pri izdelavi širokega spektra izdelkov. Rezultati projekta bodo, tako kot v predhodnih projektih, implementirani v proizvodnjo, objaviljeni v revijah z najvišjim faktorjem vpliva in predstavljeni v obliki ključnih predavanj na velikih mednarodnih konferencah.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskovalni projekt se uvršča v moderno raziskovalno področje modeliranja, simulacije in optimizacije procesov, materialov in izdelkov, ki ima vse bolj vidno vlogo v mednarodnem raziskovalnem prostoru - zaradi vse večjih potreb po cenovno dostopnih izdelkih z visoko vsebnostjo znanja, novih materialih ter okolju bolj prijaznih tehnologijah. Znanstveni cilji projekta sovpadajo s prioritetami EU 2020: nanotehnologije, napredni materiali in napredni proizvodni postopki in so pomembni za izjemno razvito slovensko kovinsko-predelovalno industrijo.
Rezultati projekta, ki ne bodo posegali v razvite konkurenčne prednosti sofinancerjev, bodo objavljeni v vrhunski znanstveni literaturi. Obseg publikacij bo predvidoma še večji kot pri predhodnih aplikativnih projektih, za katere so recenzenti ocenili, da so znanstveni rezultati izjemni za takšen tip projekta. Znanstvene rezultate predlaganega projekta vidimo predvsem v inovativnem večfizikalnem in večnivojskem simulacijskem orodju za napovedovanje procesa strjevanja ob prisotnosti elektromagnetnih polj, ki bo omogočal napoved mikrostrukture, ter napak pri ulivanju kot so izcejanje, različne vrste razpok, površinske napake in poroznost. V modelu bomo prvič združili matematični koncept faznega polja, točkovnih avtomatov in novo generacijo adaptivnih brezmrežnih numeričnih metod za modeliranje termomehanike ulivanja ob prisotnosti elektromagnetnega polja. Prvič bodo vsi ti vplivi simulirani za celotni več deset metrov dolgi ulivanec. Prav tako je povsem nov in inovativen koncept različno kompleksnih modelov in njihova povezava z umetno inteligenco ter avtomatizacijo.
Razvita brezmrežna metoda, primerna za računanje na računalnikih z porazdeljenim spominom, bo odprla številne nove možnosti za razvoj in rast sodelujočih laboratorijev ter ju postavila med vodilne laboratorije na področju uporabe brezmrežnih metod na superračunalniških sistemih.
Vodja projekta je v povezavi s tematiko predlaganih raziskav v preteklem obdobju uredil posebno številko revije EABE na temo uporabe brezmrežnih metod v industriji ter posebno številko revije Advances in Materials Science and Engineering na temo simulacij in optimizacij v tehnologiji materialov ter dve posebni številki revije International Journal of Numerical Methods in Heat & Fluid Flow na področju uporabe modernih numeričnih metod v tehniki.
Iz predhodnih raziskav, ki so vodile v predlog tega projekta, je izšlo razgibano mednarodno izobraževanje, ki je našlo svoje mesto v elitni mednarodni letni šoli za mehaniko CISM v Vidmu, Italija, ter v okviru številnih drugih mednarodnih šol. Predvidoma se bo tovrstno mednarodno izobraževanje nadaljevalo tudi v okviru tega projekta. V okviru projekta se bo izobraževal novi mladi raziskovalec, odobren v letu 2018.
Pomen za razvoj Slovenije
Sofinancer tega projekta sistematično vlaga v razvoj lastnega znanja na področju modeliranja in simulacij proizvodnih procesov že od začetka devetdesetih let. Razvoj omenjenega znanja je neposredno povezan z vlaganji v nove proizvodne naprave. Razlog za omenjena vlaganja v znanje so relativno majhne (butične) proizvodne kapacitete ter proizvodnja velikega števila različnih visokokakovostnih jekel, ki se uporabljajo v več tisoč različnih izdelkih najvišjega ranga (od prestižnega zmagovalnega tovornjaka MAN na rallyju Pariz - Dakar do luksuznih avtomobilov Ferrari, Bentley in Mercedes, če omenimo samo nekatere). Za izdelavo, predelavo in prodajo omenjenih izdelkov je potrebnega veliko lastnega znanja. Sofinancer tega projekta na razvite tuje trge neposredno izvozi veliko večino proizvodnje, ki je odločilno povezana s procesi kontinuirnega ulivanja. Od konkurenčnosti teh procesov je v podjetju Štore Steel in odjemalcih njihovih izdelkov v Slovenijo odvisnih več tisoč delovnih mest. Tako ima razvoj numeričnih simulacijskih sistemov in z njo povezana optimizacija kakovosti, učinkovitosti in avtomatizacija procesov na tej podlagi izjemno težo. Cilj opisanega razvoja sta boljše razumevanje in vpogled v te procese, boljši vpliv nanje (vključno z lastnimi modifikacijami proizvodnih naprav) in izboljšana organiziranost proizvodnje. Opisane raziskave bodo prispevale k še večji ekonomičnosti in varnosti proizvodne verige, izboljšani kakovosti proizvodov in hitrejšemu ter cenejšemu razvoju novih materialov in formatov.
Poleg tega bo podjetje zastavljene raziskovalne cilje prej uresničilo; pri projektu bo sodelovalo več raziskovalcev iz industrijskih raziskovalnih skupin, rezultati se bodo pojavili v najuglednejših revijah in izboljšane bodo možnosti za sodelovanje v H2020 in preko, na kar se sofinancer pripravlja. Podjetje in sodelujoči raziskovalni skupini sta v odboru za pripravo velike evropske integrirane akcije Eureka: Metallurgy Europe, ki je v pripravi, da jo podpiše tudi Slovenija.
Opisane raziskave in razvoj pomagajo pri transformaciji podjetja iz energijsko in okoljsko intenzivne industrije v na znanju temelječo proizvodnjo. Tako bodo opisane raziskave in razvoj dodatno opremile podjetje z novim znanjem in veščinami, ki bodo potrebne pri iskanju še bolj zahtevnih novih trgov v trenutnem razcvetu po gospodarski krizi.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
