02FLOW3DV11充型凝固分析电子教案.ppt

0202、、FLOW-3D-V11FLOW-3D-V11充型凝充型凝固分析固分析如何选择高速压射起点如何选择高速压射起点•压铸特点是快速填充，在整个高速压射阶段，融熔金属以30~60 m/sec的速度通过内浇口进入型腔此时融熔金属会包卷气体，在这种情况下可考虑让气孔分布在何处不影响关键位置•由于型腔的截面积远大于内浇口，当冲头速度不大于0.8m/sec时，融熔金属在型腔内是以近似于层流的方式运动，这一阶段不会产生卷气•从快速点直到充型结束，融熔金属以紊流的方式运动，这一阶段是包卷气体的过程，也是铸件产生气孔的部分1234高速位置高速位置高速压射起点选择高速压射起点选择选择1：卷气量大选择2 ~3：一般压铸件选择融熔金属进入内浇口，或者是进入型腔内某一位置后再切换高速选择3 ~4：多半用于大型铸件融熔金属进入型腔的充填速度高时，可以得到轮廓清晰，表面质量良好的铸件，但是容易造成排气不良，对于模具的冲蚀较大，会让模具的寿命减短高速压射起点高速压射起点高速压射的起点选择高速压射的起点选择A位置位置2位置位置1曲轴箱曲轴箱•一般铸件容易产生气孔以及对致密度的要求不同时，高速压射的起点可以选择在『不允许有气孔的部位之后』。

•以右图的曲轴箱为例，A部分因为有润滑油通道，所以要求必须致密度高，不能渗油因此高速压射的起点设置在位置2，而非一般铸件的位置1这样的成形方式可以确保铸件内部的质量要求充填模式充填模式FLOW-3D可提供下列四种充型模拟方式，I.模具+高速段II.模具+高低速切换III.模具+初始流体+高低速切换IV.模具+料管+初始流体+高低速切换可提供下列四种模具温度建议I.充型时，模具温度采用恒定温度II.充型时，模具采用非均一恒定温度III.充型时，模具采用热循环达到稳态的温度模具模具+高速段充填高速段充填高速•对模具设计人员而言，模具设计时必须着重于如何顺利充型金属，同时将充型过程中造成的卷气及氧化膜等缺陷排出至渣包•由于无法预测成形条件，因此进行数值模拟时可直接选用机台『高速充型速度』作为边界条件虽然与真实成形状况不会完全相同，但是如果模具设计可在此『最恶劣条件』下达到上述充型要求，则该组模具设计在调机时必定可减少试模次数与时间模具模具+高低速切换高低速切换高速•由于高低速切换位置会影响流动状态，因此如果时间允许，可以将前述采用『一段高速』的边界条件，更改成『先以低速充型至内浇口处，再以高速充型完毕』。

•加上高低速切换，需要额外执行一次分析以决定高低速切换的时刻•由于这仍然属于『猜测』的成形条件，因此在模拟上虽然比『直接采用高速段』来得合理，但是与真实的机台打样仍然有差距低速模具模具+初始流体初始流体+高低速切换高低速切换高速•初始金属液+高低速切换的位置，对于充填的影响相当大由于初始金属液具有一定的『质量』，加上切换点位置的快慢，会让高速段的充填受到极大的影响•同样的，初始流体的体积多寡，模具设计人员仅能『大略』预测，这种模拟方法仍然与真实制作有所差距但是这种方式，已经是在『不采用冲头耦合』计算中最接近真实的模拟方法低速模具模具+料管料管+初始流体初始流体+高低速切换高低速切换最完整的仿真方式（切换位置及速度必须接近真实条件）•成型金属： ADC 12•成形金属温度：670 ℃•模具材料：H-13•初始模具温度均一：220℃•模具+初始流体+高低速切换•低速：0.3 m/sec•高速：2 m/sec•切换时刻：0.12 sec案例一案例一 （充型分析）（充型分析）图档准备必须分为三个部分：1.铸件和渣包和浇道图，转出STL格式分析流程分析流程步骤一：先设定初始流体先设定初始流体，以低速段充型，先确认切换点位置步骤二：记录切换点位置所需的秒数，修改边界条件为高低速切换步骤三：以新的边界条件执行充型分析1.项目建立项目建立• 点击“add new simulation”增加新案例分析• 给定模拟名称和放置路径，建议路径要与STL图放在一个文件夹内• 建好项目后，就可以建模参数设置项目建立后，点选ModelSetup，进行项目设定2.模型模型建立建立• 建模菜单共有六个子菜单模型模型建立建立步骤如下步骤如下• 导入几何• 网格划分• 全局设置• 选取物理模型• 导入金属材质• 导入固体材质，设置固体属性• 水路设置• 流体初始化• 数据输出• 数值选项2.1 几何导入几何导入• 点击快捷图标，同时导入“铸件/渣包/浇道/排气道” 图档。

图格式与比例图格式与比例原始图档为mm单位，转为CGS时必须采用0.1表示模具为固体表示模具为固体• 正确的图档载入会如同上图，图档的外侧会以半透明的外框标示，表示加载的对象为complement修改图的类型修改图的类型1•正确的图档载入会如同上图，图档选择”Hole”表示去除材料修改图的类型修改图的类型2Solid / hole / complement2.2 建立网格建立网格块块• 建立网格块，然后给定的网格数量或网格尺寸•在Mesh – Cartesian处点选『鼠标右键』，选取Add a mesh block或点击”+”增加网格块调整网格区块大小调整网格区块大小-1123• 网格块选择fit to geometry包裹几何• 点击默认的数量即可• 将Mesh plane的小数去除复合网格（复合网格（Linked Mesh Block)单一网格块•复合网格目的是为了减少网格数量，以加快模拟计算时间•本例采用三个Mesh Block进行设定•利用Split分割网格块，建议不要超过五个块网格块越多，在边界上迭代时间会越长• 分割的位置不许放在流动混乱的地方（切在铸件较厚的地方最佳。

复合网格块调整网格区块大小调整网格区块大小-2123•唯一的重点，网格块间的相连的『边界』必须在同一个面上（网格区块不得重迭）调整网格区块大小调整网格区块大小-3•Favor后几何可顺利完成检查检查Favor后的图档是否合理后的图档是否合理l为了让网格区块间的迭代计算能够缩短时间，在完成Mesh Block建立后，建议在Mesh Block相接的地方以Add plane做网格线切割，如下图所示•作法相当简单，只是将Mesh Block 1&3的Y轴及Z轴坐标在Mesh Block 2上做标示Mesh plane 边界对齐边界对齐•由于程序必须知道金属液会从哪一个『面』进入型腔，所以进口位置必须让几何『稍微』突出网格块域网格调整重点网格调整重点–料饼位置的网格位置料饼位置的网格位置Auto Mesh的网格数量设定方法的网格数量设定方法Total Cellsl定义『总网格数量』当X,Y,Z全部勾选，填入总网格数量后，程序会自动分配X, Y, Z三方向的网格切割数量，切割出来的网格以aspect ratio = 1（正立方体）为准Size of Cells l以指定网格大小的方式进行设定。

假如型腔的长度为20cm，设定为0.1，则代表以网格尺寸= 0.1 cm ( 1cm * 0.1 = 0.1 cm )进行切割，以网格尺寸= 0.1进行切割时，长度方向就会切割成200个网格FAVOR后图发生问题的原因后图发生问题的原因原始图建立网格FAVOR网格图•FAVOR采用比例技术取得『近似』的图档当网格越密时，网格图与原始图越接近但是，由于网格切割的位置可能让某些特征在切割近似后发生消失的状况，因此需要以『Add Plane』的技术对局部网格进行细化•如果计算机硬件配够足够强， 也可直接以较多网格切割，效果是相同的（但是分析时间可能会增加）以以cutting planes检查检查•利用Cutting planes调整，切割至网格未切出的位置进行检查•完成切割后，以三视图进行确认更改颜色更改颜色–打开打开Back Face•将Front face 显示为红色，这样在采用剖面显示时比较清楚123检查图发生问题处检查图发生问题处•渣包的厚度是大约『1.2格』，为了避免网格的厚度判断错误，此处建议以『add plane』做局部加密，让水口的厚度更加正确！局部加密局部加密•黑色线段：预计加入『点』的位置。

•点的坐标如何取得？Shift +鼠标左键，取得该点位置，然后按下『Add』•给定渣包水口网格数量=2•建议：内浇口=3层以上，渣包水口=2层以上，铸件最薄处也保证至少两层限制限制l Add mesh plane不需要整个模型都加（过多的点限制会让网格外型出现误差，反而影响FAVOR效果与计算速度）l Mesh info可用来检查切割后的网格尺寸• Mesh information会提供网格区块的尺寸大小（最大&最小）建议最大最小的网格差异不要大于52.3 全局设定全局设定•Fill fraction:设定为1.0（Fill fraction：填满率）•Fill fraction =1，代表程序执行至『完全填满』时会自动停止计算2.4 物理模型物理模型卷气模型卷气模型• 此模型需要填入两个系数-卷气系数和表面张力系数• 对于压铸而言，卷气系数建议值=0.05，表面张力系数的数值可以从材料手册查询卷气主要是由于三个物理因素的作用产生:- 紊流turbulence造成自由液面的扰动- 重力gravity和表面张力surface tension是流体稳定的主要作用力气体/金属的混合率Cair用来代表卷气量多少在与周围环境没有热或质量交换情况下气泡的压力变化可以用一个简单的体积函数表示:V0和P0是初始气泡的体积和压力g= 1.4 for air气泡模型气泡模型• 此模型是考虑背压问题，即型腔内空气压力与体积和排气流率有关• 当不用此模型时，充型过程型腔内空气压力被设置均一恒定压力值。

• 打开气泡模型，计算时间会加长氧化渣计算主要是基于金属液面与空气接触时间的长短氧化渣可以依据实际状况自由给定(>0.0).结果数值是代表夹渣和流痕缺陷发生的可能性，数值越大可能性就越大.C(x,t) - oxide film concentration;t – time.at free surfacein the bulkRepresent entrained oxide with a volume concentrationIn surface cells oxides are produced at a constant rateHPDC(Mg alloys)氧化渣模型氧化渣模型重力模型重力模型• 案例采用 CGS （cm g s）单位，重力加速度数值由SI（m kg s） 9.8的放大100倍热热传递模型传递模型•由于充型时间较短，与模具接触时间很短，模具传热层很小，因此可以忽略模具内的热传导，你可以使用 Uniform component temperatures• 若不想简化处理，考虑模具的热传导，那么需打开『Full energy equation』计算+Maximum Thermal penetration depth。

• •Implicit隐式解可以加快求解时间l基于半无穷域的一维热穿透解(1-D heat penetration solution)Maximum Thermal penetration depth计算公式1其中 α 为固体热扩散系数α =κ/(ρ Cp)κ 为固体的导热率ρ Cp为固体密度*固体的比热t 为接触时间δ 为热穿透深度Maximum Thermal penetration depth计算公式2•输入模具材料属性和充型时间，即可算出最大热穿透深度=0.0056 m比较有无设定热传影响层的热传方程计算考虑整个模具 -400万激活网格 -CPU: 26 小时热影响深度为 5 mm -652,000 激活网格 -CPU: 10 小时, 效率提升 60%凝固模型凝固模型• 此时打开凝固模型，考虑充型过程是否有缺料和局部过早凝固•考虑液态和固态的金属与模具具有不同的对流换热系数粘粘度度模型模型•充填过程模具内的金属流动通常雷诺数较高 (> 20,000) ，因此一般视为紊流流场•在五种模式中，推荐使用RNG紊流模型2.5. 导入金属材质导入金属材质• 选择相应的材料，并点击加载即可 • 流体可压缩性，可缩短时间，但是会有风险（如果充型时间过短，压力过大时，流体会无法填入型腔）。

•如果不想承受风险，Compressibility维持“0”就可以了2.6. 导入模具材质导入模具材质• 选择相应的材料，并点击加载即可 设定模具温度及热传递系数设定模具温度及热传递系数液态金属与模具之间的热传递系数固态金属与模具之间的热传递系数模具初始温度2.7. 边界条件边界条件•每个Mesh Block下方都有边界条件•从上图中可确认速度从Z Max平面进入，沿着负方向进料，更改为速度边界条件，并设置时间与速度关系123•选择速度边界条件后，填入速度向量大小以及料温温度2.8. 流体初始条件流体初始条件激活初始条件菜单•定义初始金属液1.利用Fluid region定义初始化金属液，利用limiter 限制2.设置初始金属液温度以以Favor检查型腔及金属液检查型腔及金属液•若看到蓝色的金属液，请调整左上角的Transparency透明度2.9.加排气点加排气点• 注意：点的坐标必须在型腔内部• Valve loss coefficient 损失系数可以通过计算公式算出• 若含有多个排气道，那么就要设置多个排气valves123ρ：空气的密度A：排气道截面积C：通常等于0.5Y ：通常等于1.0其中损失系数的单位为 [L3.5/M0.5]损失系数计算公式损失系数计算公式2.10.数据输出数据输出• 若需输出流场更多细节，如以每填充率『1%』输出资料。

• 常需要输出的数据有金属温度/速度/空气压力/固相率/氧化渣/卷气/模具温度等2.11.数值选项数值选项• 给定初始时间步和最小时间步• 软件会根据收敛情况自动调节步长大小3.1 执行分析执行分析•完成设定后，回到Navigator下•点选分析项目，按下鼠标右键后，最上方两个执行项就是执行FLOW-3D•PreprocessSimulation：检查各项参数是否正确•RunSimulation：先检查各项参数是否正确，正确无误后开始执行分析•通常会先执行PreprocessSimulation，确定参数无误后，再执行RunSimulation（除非设计人员确认自己设定的参数完全没有问题）•Warning & Errors：：记录在分析过程中的警告讯息与错误讯息（警告讯息不需理会；程序万一不正常停止，才需要检查错误讯息）•Restarts times：：程序在迭代计算时，如果需要重新以较短的时间间距计算时，会在Restart times内记录重新计算的时间点•Status / Restart data / History data：：程序执行过程中，如果需要『实时』取出相关信息，可点选这三个icon，FLOW-3D会实时『记录』这三个时间点的相关数据。

Runtime option•FLOW-3D执行过程中，操作人员仍然可以更改prepin档内部的numerics选项以调整计算方式•FLOW-3D V10以前的版本，在执行Runtime option前必须先将程序暂停（Pause），等设定完成后按下继续执行（Resume），程序才会根据新的设定计算•FLOW-3D V10以后（包含V10），Runtime option内的数值一旦修改，程序会『实时』根据修改后的数值计算，不需要再暂停Pause：暂停计算Resume：接续计算Terminate：强迫终止计算•End of calculation at t = XXXX cycle =XXXX：程序计算完成•No accessible emptycells：没有空的网格可供填入（充型分析，程序于fill fraction = 1.0时停止计算）•Elapsed time (seconds) = XXX：程序运行时间（秒数）•CPU = XXX：CPU运行时间（如果是双核，数值则是上方秒数X 2）4. 载入结果载入结果和分析结果和分析结果软件提供两种后处理功能1.软件自带的后处理2.Flowsight 后处理4.1 软件自带后处理软件自带后处理• 选择结果，并输出所需数据• 软件可以输出文本/曲线/二维/三维显示3D结果选择输出金属或气体选择输出变量选择输出时间秒数STL型腔载入标准输出标准输出–金属金属液体液体+卷气结果卷气结果12345678颜色标尺和时间帧显示颜色标尺和时间帧显示• 点击Tools菜单中“Option”• 复选color scale，将Min /Max的数值填入固定最大/最小值。

修改颜色标尺的上下限修改颜色标尺的上下限型腔型腔透明度透明度动画输出动画输出(Fullscreen Capture)12•FLOW-3D可以将结果制作成avi动画先点选『第一个时间点』，如左图所示•接着选择 Tools / Animation / Fullscreen CaptureFullScreen：代表右下角整个图片的区域全部抓取Rubberband：用户指定抓取的区域大小输出路径及文件名修改输出路径及文件名修改文件名以及路径可以根据用户的需要进行修改（文件名采用英文及数字的组合）Frame rate的数值改小一些（预设为10）Frame rate数值越小，动画播放的速度越慢一般而言填入数值『6~7』对于问题判断的效果就非常好Microsoft video format 完成档案输出完成档案输出•当avi文件完成后，程序会询问是否要对该avi档进行压缩，建议选择『Microsoft video』格式，这种格式的avi文件不大1.选择结果文件2.复选 selected 数据3.选择isosurface 和color by4.2 Flow sight 后处理后处理4.2.1 型腔内空气压力分布型腔内空气压力分布4.2.2 铸件温度分布铸件温度分布4.2.3 速度分布速度分布4.2.4 卷气分布卷气分布4.2.5 氧化渣分布氧化渣分布高压铸造高压铸造- -凝固分析凝固分析1.1 接续分析Restart Simulation先完成一组充填分析，然后将充填分析的结果转至Restart Simulation，执行接续分析变更档名后，选取下方的『 Check all』，将所有的图档从充填分析的项目中复制到凝固分析的项目内。

此处可填入凝固分析的项目名称1.2. 调整Finish time & Solidification•Finish time设定为50•Finish condition设定为Solidification / Solid fluid fraction = 11.3.Physics取消Air Entrainment & Surface Defact Tracking由于这个prepin档是从原本充型分析的档案复制过来的，因此大部分设定不需要调整只需要取消卷气与表面缺陷追踪设定，以及调整凝固分析选项Solidification开启Rapid ShrinkageModel，计算缩孔的形成位置高压铸造，记得开启『interdendritic feeding only』启动 Microporosity Model(缩松计算)1.4. 边界条件全部变更为边界条件全部变更为 WallWall的温度填入（30 °C）1.5.删除流体域和排气道删除流体域和排气道1.6. Output•凝固分析的重点在于『最后一个时间点的缩孔位置』•除非使用者想要确认缩孔形成的方式，否则仅需输出基本的数据量即可进行判断。

2. 执行判断执行判断输出结果–凝固顺序输出结果–固相分数输出结果–缩孔位置输出结果–缩松。