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第二章 FLOW-3D 铸造充填分析


第二章、FLOW-3D 铸造 充填分析
FLOW-3D? v9.2

目录
1. 可接受之图档格式 2. 网格建立 3. 成形條件設定 4. 成形材料选择 5. 指定物理量 – 充填模式 6. 模具材料选择 7. 边界条件定义 8. 初始条件设定 9. 输出资料 10. 数值选项设定 11. 执行第一组分析

2.

1、FLOW-3D 可接受之图档
? FLOW-3D 接受多种图档及网格格式,可从外部绘图程 式或其他 CAE 前处理器转入。不过在预设的前处理器 中,仅能直接读取 STL 格式。其馀格式必须以文字编 辑器编辑 Prepin 档。 ? STL ? UNV ? Other meshes ? 操作

STL(stereolithography )format
? 大部分的 CAD 都支持 STL 格式输出。STL 格式转出 时,实体图档会以三角形面完全包覆,转出格式则包 含三角形的三个点的座标,以及三角形的法线方向。 所有的座标格式均采用直角座标系 (Cartesian coordinate system)。

STL 格式
? STL 档案是以”.stl”为副档名,STL格 式是以近似的外包曲面来代表物体的表 面。STL 档案中包含一序列的面资料, 每一个面资料以一个单位法向量( Normal vector)以及三个顶点(vertices )座标来表示。因此是以 12 个数字来 代表一个面。 ? STL 档案分为 Ascii 及 Binary 两种格式 ,Ascii 的 STL 档案只是为了让使用者 可以看出其格式并且进行编辑,但是档 案格式较大。由於 FLOW-3D 两种格式 都可以接受,建议生成格式采用 Binary 格式(Binary 格式的 STL 档案较小)。
(x2,y2,z2)

(x1,y1,z1)
Normal Vector

(x3,y3,z3)

I-DEAS Universal File
? FLOW-3D 也可接受从其他 CAD 或 CAE 产生之 tetrahedral 网格档,预设格式为 I-DEAS 的 Universal 格 式(副档名为 .unv),由於读入的资料仅需四个顶点 的座标以及其关连性,因此即使是其他格式的网格档 ,只要符合这个格式,就可以读取。 ? 如果要输入此类格式之网格档,必须以 notepad 编辑 Prepin 档。 FIDEAS(L)=?filename?. 预设档案名称为 “cadfnn.inp” ,nn 为数字. ? 转入之图档同样可以在 FLOW-3D 内进行平移/旋转/缩 放等设定。

其他网格格式
? FLOW-3D 也支持由 ANSYS 转出之 Tetra Element 网格 档,不过必须将档案分为两部分,分别是座标档以及 网格关连档。 ? 在铸造领域设定时,建议使用者直接以 STL 档作为分 析档案格式。

操作:从前处理器加入 STL 档

加入 STL 档 FLOW-3D 没有限制 STL 档的数量,如 果需要加入多个 STL 档,可以重复加入

Geometry file(s) 几何图档设定

单位转换

变更类型

变更物件单位及 图档类型

Unit 单位
? FLOW-3D 内定单位为 – SI(m, Kg, …) – CGS(cm, g, …) – ENGINEERING(英制) ? 由於大部分铸件绘图单位为 mm,因此在 FLOW-3D 读 入图档时建议将单位转换至 CGS 制。 ? 1 mm = 0.1 cm,因此单位转换时 Global magnitude 必须 填入 0.1。

Component Type 物件类别

Solid

Hole

Complement

2.2、网格建立
? 网格基本设定 – Uniform Meshes – Non-Uniform Meshes ? 网格建立重点 ? Multi-Block Meshes ? 操作:建立网格

网格基本设定
? Uniform Meshes

? Non-Uniform Meshes

? 使用时机:大部分状况,建议采用 Uniform Meshes。如果是 External Flow 的案例,再利用 Non-Uniform Meshes 减少网格数量

网格建立重点
? 尽量采用 Uniform Meshes 格式。网格的 Aspect Ratios 尽量趋近於 1(正立方体)。Aspect Ratio 建议不要超 过 3.0;如果是采用 Non-Uniform Mesh 格式时,相邻 的网格尺寸比例建议不要超过 1.25。 ? 在流场越紊乱(压力梯度变化较大)的区域,尽量采 用 Uniform Meshes。 ? 如果分析中包括表面张力计算,在表面区域尽量采用 Uniform Meshes。

Multi-Block Meshes
? FLOW-3D 於 V8.0 版之後,推出 Multi-Block Meshes 的设定方式。Multi-Block Meshes 可以适用於各种应用 领域,能够在分析模型中进行局部或整体的网格尺寸 调整,大幅减少分析时所需之内存。 ? 网格区块(Mesh Block)不允许局部重叠,仅能完全 相接或者是完全重叠。FLOW-3D 并没有限制仅能采 用 Connected Blocks 或是 Nested Blocks,也没有限制 网格区块的连接方式(连接方式与流体的流动方向无 关)。使用者可以根据实际需求进行调整。

Multi-Block Meshes

? Connected 接续式网格区块

? Nested 巢式网格区块

Multi-Block Meshes 应用
部分重叠

? 网格区块可同时存在 Nested 及 Connected 格式

? 发生『部分重叠』,这样的 网格区块无法使用

Multi-Block Meshes 设定重点
? 网格区块数量越少越好;每增加一个网格区块,至少 会增加一个需要计算叠代的边界。不必要的网格区块 会增加叠代可能造成的数值误差以及增加分析时间。 ? 网格区块之间的 Aspect Ratio(网格尺寸)尽量采用 1.0 ~ 2.0 之间。 ? 避免在流场紊乱(压力梯度较大)的位置建立网格区 块,网格区块连接的位置尽量位於流场平缓的区域。 ? 在网格区块的连接位置,以 Fixed Point 确认网格区块 的连接,这样可以减少网格区块连接位置的体积误差 量。

操作:建立网格

显示网格 隐藏网格 切换成圆柱座标 增加网格区块 网格区块资讯

网格区块的调整
新增网格区块 删除网格区块 自动切割网格 调整网格区块 网格资讯 网格区块尺寸调整 移动网格区块 复制网格区块 分割网格区块 自动调整网格区块至几何图档 大小 隐藏网格 显示网格 仅显示单一网格区块 显示所有网格区块

常用指令

Mesh adjustment

以鼠标调整网格大小
步距大小可调整不同的数值

Auto Mesh & Mesh Info
可指定网格总数量,或者是 指定网格尺寸大小

程式会根据指定的条件,在 X,Y,Z 三方向进行网格切割

真实网格数量

以 FAVOR 检视网格建立状况
? 在网格切割完成之後,可以用 FAVOR 检视在现有网 格数量设定下,是否能够完整的描述模型的外型。

? 选择 Open

网格切割注意事项
? ? ? ? 网格切割的层数仅需描述几何外型,不需要生成三层以上的网格(单层 即可)。 建议采用均一尺寸的网格。 以 FAVOR 工具检视网格图档是否能完整描述原始图档。 多网格区块设定可以在网格数量限制下更完整的描述图档。但是网格区 块不宜过多。充填分析建议不需要超过三个(固化分析建议采用一个) 。 一般而言,网格区块最多不宜超过五个。 如果采用多个网格区块,不要在流动复杂的位置做切割(尽可能在流动 单纯的位置进行切割)。 不同网格区块的网格尺寸大小可以不同,但是尽量不要超过两倍。 如果要用多网格区块进行网格建立,尽可能采用 Linked Blocks。

? ? ? ?

2.3、分析條件設定
? FLOW-3D 可以指定分析停止的条件。分别是: – Finish Time(指定时间,时间到达时停止) – Fill Fraction(指定充填率,充填率到达指定值时停 止) – Solidified Fluid Fraction(指定固化率,固化率到达 指定值时停止) ? Finish Time 为最高判断原则,一旦到达 Finish Time, 程式会强迫停止。 ? 一般执行充填仿真时,会选用 Fill Fraction 作为程式判 断条件(在 Finish Time 填入较大的数值)。

操作:指定分析条件
由於 Finish Time 到达时,程式也会停止计算;因此将此 数值加大,确保程式会以 Fill Fraction 作为停止条件。

指定分析停止条件 -> Fill Fraction Fill Fraction=1 -> 模穴填满率达 100%才停止

2.4、成形材料选择
? FLOW-3D 内建材料库中,包含了大部分常用的金属材 料。使用者可以直接选用。 ? 如果材料库内的材料不足,可以利用新增材料的方式 建立自己的材料;另外,也可以编辑内建之材料。 ? FLOW-3D 是一套标准的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics )软件,因此支持多流体的计算方式。 分析可以载入两种不同的材料以进行两相流分析(铸 造领域不会使用到此部分功能)。

FLOW-3D 內建材料之資訊

FLOW-3D 內建材料之資訊

操作:选择成形材料

選擇材料時必須指定單位

2.5、指定物理量 – 充填模式
? ? ? ? ? ? ? Air Entrainment 卷气 Defect Tracking 缺陷追踪 Density Evaluation 密度变化 Gravity 重力 Heat Transfer 热传 Solidification 固化 Viscosity and turbulence 黏度与紊流

Air Entrainment
? 当流体处於自由液面流动时,表面紊流可能会将空气 卷入流体内,这种现象称为卷气(Air Entrainment)。 铸造过程中,卷气可能会造成缩孔的产生,以及铸件 表面或结构上的缺陷。 ? 仅开启卷气模型计算时,卷气计算并不会影响到原始 流体的流动模式(卷气量不大),如果卷气量大到足 以影响流场的运动模式,就必须开启 Density Evaluation (密度变化模型) 以考虑卷气量对於流体 密度的变化。前者称为 Passive 计算;而後者则是称为 Active 计算。

Air Entrainment models

? 填入表面张力系数并不会启动表面张力模型 计算;不过会根据表面张力系数大小计算流 体表面的力平衡,以决定卷入的空气量。 ? 在 Active 模式需要计算空气卷入量对於流 体密度的影响时,才需要填入空气密度值。 一般计算(Passive)不需要填入此数值。

Defect Tracking
? 铸件的机械强度与铸造过程中生成的氧化膜、卷气, 以及其他在充填过程中夹杂於固体内之杂质息息相关 。表面追蹤模型(The Surface Defect Tracking model) 會記錄金屬液體與表面空氣接觸的時間以及接觸面, 能夠讓使用者預測金屬氧化膜的生成位置以及集中區 域。
Defect Tracking 的数据为相对数 值,如果有实验,可以叁考 实验数据给定资料;也可以 给定一正整数,叁考其显示 之位置。

Density Evaluation
? FLOW-3D 内的流体密度可以是其他变数的函数,例如 温度或是固化率。举例而言,计算时可以考虑流体密 度随着流体温度的变化。 ? 不过,密度变化必须开启相关的模型。以铸造而言, 除了要开启热传模型(Heat Transfer)并且计算流体的 内能(internal energy)变化。另外,必须定义流体的 热膨胀系数(Thermal expansion coefficient)才能得到 合理的结果。

Gravity
? FLOW-3D 内的重力方向是以卡式座标系定义。数值可 为 X, Y, Z 三方向之一,或者是以分量的方式加以组合 。 ? 如果流体运动过程中,重力方向会随着时间变化(例 如倾斜铸造 Tilt Casting),可以改用 Non-Inertial Reference Frame 加以定义。
重力单位为 CGS

Heat Transfer
? 热传计算必须先启动内能计算,再决定热传形式。 ? FLOW-3D 预设之内能(internal Energy)计算方式系 采用 1st-order upwind differencing method 的内能计算方 程式,适用於大部分的应用案例。如果使用者的流场 形式需要较高的精度计算,例如浮力场(buoyant flows )温度可能会随着流体密度变化的状况,才需要开启 二阶计算。

Heat Transfer and Conduction in Components
? Uniform component temperatures ? 所有的物件会被当作是 Lumped temperature body (集 总温度物件,整个物件视为一均一温度之物件),物 件内部不计算温度传导(Density * Specific Heat 为 passive),不过温度值可以在 Prepin 档内编辑,指定 为随着时间变化。 ? Non-uniform, constant temperature ? 物件内的温度不均一,但是仍然不会启动传导方程式 计算温度分布,因此物件的温度不会随着时间而改变 。物件的温度可以利用初始条件加以定义,或者是以 restart接续已有结果计算。

Heat Transfer and Conduction in Components
? Full energy equation ? 热传计算包含整个物件,因此固体部分的 Thermal Conductivity 和 Density*Specific Heat 都必须填入数值 ,否则整个物件会被当作是固定温度而不进行相关的 计算。

Heat transfer
? 为了缩短计算时间,使用者可以采 用 First order / Uniform component temperatures (此时假设模具温度为 等温,程式不计算模具内的温度分 布)

? FLOW-3D V9.2 以後的版本针对此 设定以及未开启热传分析的专案会 自动启动 Active Mesh 设定,可大 幅度的缩短分析时间。

Solidification
? 当启动固化模型(Solidification Model),以及指定热 传、比热以及热传导後,固化计算就可以进行。在 FLOW-3D 设定中,仅有 fluid #1 可以计算相变化。 ? 预设计算过程中,铸件的潜热(latent heat)会以线性 的方式从液态温度降低至固化温度;如果潜热释放的 状况较复杂,可以利用编辑 Specific Energy Tables ( Fluids > Solidification Properties > Specific Energy Tables )的方式定义潜热释放为温度相关的方程式。

Solidification options

充填阶段仅需开启固化(程式会考 虑相变化造成的凝固)

?

单纯进行充填仿真时,仅需开启 Activate solidification,其馀选 项维持初始设定即可。

Viscosity and turbulence
? 黏度(Viscosity)是流体的一种性质,用来描述流体分子间相互 运动所产生的组抗。FLOW-3D 支持牛顿流体(Newtonian Fluid) 与非牛顿流体(Non-Newtonian Fluid)之描述。 ? 紊流是流体的一种流动状况。当流速很低时,流体分层流动,互 不混合,称为层流(Laminar flow),逐渐增加流速,流场中的流 线会出现波浪状的摆动,摆动的频率及振幅会随着流速的增加而 增加;当流速很大时,流线不再清晰可辨,流场中会出现许多小 漩涡,称为紊流(Turbulence Flow)。 ? 层流与紊流的差别可以用雷诺述加以量话。雷诺数小时,黏滞力 对流场的影响大於惯性力;雷诺数越大,惯性力对流场的影响会 大於黏滞力。流態轉變時的雷諾數值稱為臨界雷諾數。一般管道 雷諾數 Re<2300 為層流狀態,Re >4000 為亂流狀態,Re=2300 ~4000為過渡狀態。

Viscosity and turbulance

? ?

一般铸造制程,建议选用 Turbulent / RNG model Turbulent mixing length 不需要填入 数值。如果使用者希望 RNG Model 模拟时减少数值误差,可在此处填入 模型最薄流动厚度的 70%。举例而言 ,如果是压铸件,此处可填入内浇口 厚度的 70%(通常内浇口为铸件最薄 的位置)。

2.6、模具材料选择
? 模具材料的材质会影响热传递的速度以及模具温度的 分布。不同的材料其温度传递的速度也会不同。 ? FLOW-3D 内建模具材料资料库,使用者也可以自行编 辑加入。 ? 需要苍集的资料包括了模具材料的密度、比热,热传 递系数,以及成形时的模具温度。

操作:选择模具材料

Tools/Solids Database

不同的成形金属对应不同的模具材料 ,必须填入不同的热传递系数

填入成形时的模具温度

模具温度指定
? 如果已知模具温度,直接填入温度。FLOW-3D 的温度 单位为 K ,因此必须把摄氏温度 + 273.15。 ? 大部分的压铸模具温度,会设定为成形金属温度的 1/3 ± 25° 。

2.7、边界条件设定
? 边界条件代表浇注过程如何执行。FLOW-3D 支持压力 边界条件以及速度边界条件,浇注状况可设定与时间 相关(随着时间变化而调整压力或速度的大小)。 – 高压铸造:一般以速度做为边界条件设定。 – 低压铸造:一般以压力做为边界条件设定。 – 重力铸造:一般以压力(大气压力)做为边界条件 ;如果操作人员刻意减慢倾倒速度,可以根据大概 的充填时间换算成速度边界填入。 – 倾斜铸造:一般以角速度与时间的变化直接於 NonInertial RF 内设定。

压铸边界条件条件计算
? 如果使用者知道压铸机的充填速度,可以直接换算成 柱塞头的移动速度,当作是边界条件。 ? 如果使用者不知道压铸机的充填速度,可以改用一般 设计常用的『建议内浇口充填速度』换算成柱塞头的 移动速度。

叁考数据
充填速度 m/sec 鋁 鋅 20-60 30-50
内浇口面积 A1 内浇口速度 V1 柱塞头面积 A2 柱塞头速度 V2



40-90

黃銅

20-50

A1*V1 = A2*V2

V2 = A1*V1/A2 V2 为边界条件之速度值 (单位必须换算为 CGS制)

重力铸造边界条件计算
? 方法一:采用压力边界(如果倾倒距离就在网格边界上)

流体填入时,其压力大小为一大气压 ( 1 atm),换算为 CGS 制为 1.013 e6,因此可直接给定压力边界。

重力铸造边界条件计算
? 方法二:采用压力边界 根据换算

h

P ? ? ? g ? h ? Patm
此处的 Patm 代表大气压力

重力数值必须改以 CGS 制计算。 (980)

重力铸造边界条件计算
? 方法三:采用速度边界 根据换算

h

v ? 2gh
改以速度做为边界条件

重力数值必须改以 CGS 制计算。 (980)

重力铸造边界条件计算
? 方法四:采用速度边界

已知: 入口面积 = A1 铸件总体积 = Vol 填满时间 = t 未知: 入口速度 V V = Vol / A1 / t

操作:指定边界条件

填入温度(K)

成形温度

2.8、初始条件设定
? FLOW-3D 可设定多项初始条件,但是在铸造领域中, 最重要的两项分别是模穴内的初始空气压力以及初始 空气温度。 ? 由於单位(CGS制)上的考量,压力必须经过换算。 一大气压 = 1.013 e6。温度部分则是必须以 K 作为换算 。摄氏单位必须加上 273.15 才是凯氏单位。举例而言 ,20 度的室温 = 293.15 K。

操作:设定初始条件

? Void 指的是空孔的区域。金属未 充填前,整个模穴的区域为 Void 。

2.9、输出设定
? FLOW-3D 的输出资料是以时间作为单位。如果使用者 没有指定输出时间,程式预设值会根据填满百分比输 出 10 张图片。建议使用者先大概估算一下需要填满的 时间,再设定输出图片的时间间隔。 ? 如果时间间格设定太短,输出的资料量可能非常大, 使用者可以『指定』某些特别重要的物理量以较短的 间隔输出,其馀的则是以预设值输出。

Output
如果在此处填入时间间隔,例如 0.01,则每 隔 0.01 秒所有的资料都会纪录一笔

如果担心输出资料过多,左 侧的 Restart data 内可以 保持空白,在此处填入较 短的时间间隔(同时选取 特定物理量)。

程式预设值每填满 10% 会输出一张图

如果以 Selected data 输出

?

除了选择的四笔资料以 0.01 sec 的间隔输出 资料,其他的均以填满百分比 10% 的速度输 出(其馀资料仅会输出 10 张)

操作:输出资料设定

? 所有的资料都会以时间间隔 0.01 秒的方式记录,资料量会 增加许多。

2.10、数值设定
? FLOW-3D 的数值设定会影响分析的时间。此处建议使 用者按照讲义内的数值进行设定以及选择(案例中的 设定是一般应用於铸造领域的设定方式)。 ? 各项数据的调整对於分析结果的影响可以叁考原厂使 用者手册。

操作:数值条件设定

执行第一组分析
? 按照前述顺序完成设定後,先以『Preview』检查分析 模型设定是否有问题,再执行『Simulate』分析。 ? 由於 FLOW-3D 资料量较大,使用者於分析前请先确 认硬盘空间足够。

Preview

? Total cells:60194 Active cells:20946 ? 模型总网格数量为 60194,流体 实际通过的网格数量为 20946。

Simulate

? Preview 没有问题後,直接执行 Simulate 启动分析


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