1、图形用户界面,FLOW-3D 铸造工程介绍,Tony,January 1, 2013,FLOW-3D v11: Foundry Training,1,数值模拟操作流程,PREPROCESSING,PREPROCESSING,CAD data,MAINPROCESSING,MAINPROCESSING,Material database,POSTPROCESSING,POSTPROCESSING,Criteria functions,Start: Simulation,Import of CAD data,Generation of simulation geometry,Definition
2、of initial and boundary conditions,Entry of material data,Simulation calculation,Calculation of criteria functions,Visualization & evaluation of results,End: Simulation, 首先: 回答如下问题 “从模拟设定中了解什么?” 选择所需物理模型 定义初始及边界条件 协助决定最佳数值参数 如何产生网格及其信息,Simulation of a HPDC process with FLOW-3D,铸造过程模拟, 始终认为: “仿真分析是唯一
3、接近实际实验一种方法!” 所采用的参数越准确，(mesh , geometry, physical models, included objects) 所分析出来结果越接近实际 但相对分析计算所需时间越长 在可以接受的时间内得出更精确的结果 (“尽量简化模型，考虑主要物理过程”),铸造过程模拟,Model,Reality,Modeling,Simulation,Process,Results,Verification,图形用户界面(Graphical User Interface),5,FLOW-3D v11: Foundry Training,主菜单,6,File 增加、删除、复制模拟文档和
4、工作区（simulations 和workspaces） Diagnostics 预处理和求解的文本信息 Preference 图形界面“外观和特征”显示开关 Physics 物理模型开关 Utilities 附带其它程序和软件更新设置 Simulate 预处理和运算模拟! 运算单个模拟 依次运行多个模拟 Materials 导入或转换材料库属性 Help 用户手册和关于版本,FLOW-3D v11: Foundry Training,四个选项,7,Simulation Manager Workspace 和 Simulation 架构&管理 运算模拟的控制界面 Model Setup 建立
5、prepin 前处理文档 几何建立和参数设置 网格划分和边界条件 初始条件 物理模型和数值选项 输出选项 Analyze 指定结果显示（图片、曲线、文本等） Display 1D, 2D, 3D 显示,FLOW-3D v11: Foundry Training,模拟管理选项界面,8,Diagnostics,Portfolio,Queue,Run-time Controls,FLOW-3D v11: Foundry Training,建模选项界面,9,可视化建模图形界面 提供六种选项完成设置 General settings Physical models Fluid properties Me
6、shing & Geometry Output Numerics 序依照客户的习惯,FLOW-3D v11: Foundry Training,FLOW-3D v11: Hydraulics Training,10,Flowsight 后处理,增加几何,FLOW-3D 铸造工程介绍,Tony,FLOW-3D v11: Foundry Training,11,大纲,术语 - Components vs. Subcomponents 增加 subcomponents 原始几何体 .stl 文件 Component 类型 不同类型可以节省内存 Baffles 测量数据输出 Flux Surfaces
7、 History Probes Sampling Volumes,12,FLOW-3D v11: Foundry Training,术语 Components vs. Subcomponents,Components 定义其subcomponents的属性 Subcomponents 定义其 components 的形状,Components 定义固体属性、表面属性、以及运动属性 Component 类型控制其物理模型,Subcomponents 是真实的形状：SolidsHolesComplements,13,FLOW-3D v11: Foundry Training,高压铸造模拟,Subc
8、omponents 可以添加至新的或已存在的 components 下面 确定哪以个 subcomponent 将要添加至component ? 相同的固体属性、表面属性或运动属性？相同的component!,14,FLOW-3D v11 Foundry Training,Subcomponent 顺序是非常重要的!,15,subcomponent 类型可以定义为 Solid Hole: 仅可以从现存的固体中去除材料 Complement: .stl 几何域 = hole, 其它域= solid 仅仅 .stl 格式文件可以被定义为complements 类型 必须在component 中把它
9、设置为第一个 subcomponent,FLOW-3D v11 Foundry Training,Component 顺序是非常重要的!,16,重叠Component固体域: Component 属性：以先加载 component 为主,FLOW-3D v11 Foundry Training,Holes 和 Complements,17,FLOW-3D v11 Foundry Training,Stereolithography (.stl) 格式文件,18,Stereolithography 格式定义 每个三角形被称谓小平面 小平面: 3 顶点和1单位法向向量 平面间必须只有一个边相连 必
10、须形成一个完全封闭的壳体 最佳：每个文件都是一个壳体 必须检查.stl 文件是否存在错误： 三角面丢失 法向向量错误 三角面面积为零 利用 FLOW-3D 工具检查： 利用 MiniMagics 检查，但无法修补文件 利用 pyADMesh 再检查，并修补文件 若 pyADMesh 不能修补文件，那么需要转至 CAD 修补并输出,FLOW-3D v11 Foundry Training,利用 MiniMagics 检查,19,安装：Start FLOW-3D v10.x Install MiniMagics 运行：Start Materialise Software MiniMagics 检查
11、属性和诊断，查看是否有错误,FLOW-3D v11 Foundry Training,Component 类型可以节省内存,20,若heat transfer传热物理模型没有激活： standard components 节省内存 单元内为100% 固体时，会关闭计算 若heat transfer 传热物理模型没有激活： standard component 计算激活网格单元 Domain Removing 类型： 无论是否打开传热模型，都关闭该域网格单元计算 在后处理中作为固体处理，但不出现 (不可见) 可以放置在流体自由液面处：若流体接触到此域时会产生非真的效果！,Total # of c
12、ells:541K,Active # of cells: 370K,FLOW-3D v11 Foundry Training,Fluid to solid heat transfer “Full energy equation” noticeable temperature changes of form, cores etc. during form filling (gravity casting with long casting times) solidification simulation (RESTART calculation after form simulation) op
13、tion of hiding cells (“Domain removing”),“Heat transfer“ 传热模型的应用,3D view inside a mould during solidification, 回答问题: “可以用 full energy equation 来求解固体温度场 (模具, 型芯, )?” 若需计算，则必须打开” full energy equation” 选项 若不需要计算区域，可利用“Domain removing “ 选项 若减少计算量，可利用 “Maximum Thermal Penetration Depth” 设定传热深度 (快速而有效),He
14、ating of the mould during solidification,FLOW-3D v11 Foundry Training,附加功能：Baffles 和 Flux Surfaces,22,Baffle: 零厚度的形状 固体(孔隙率 = 0), 多孔介质, 或完全开放(孔隙率 = 1) 固体 & 半透板可以记录输出力 (压力和剪力) Flux surface: baffle可以作为流量监测工具 必须是半透板或完全开放 记录 flow rate, hydraulic energy, particle count, heat transfer 可以产生示踪效果 tracers (dy
15、e) 形状：可以利用图元或STL图形定义,FLOW-3D v11 Foundry Training,附加功能: History Probes,23,History Probes 测量 & 记录基于所选的物理模型的数据输出 单元流体分数-F 速度- u, v, w 压力- p 固定点- x,y,z 更多 Probes 是零体积 不影响流体流动 定义 History Probes： History Probes 窗口： 增加: 类型： 固定 依附于 GMO (w/ or w/out rotation) 随着流体运动,FLOW-3D v11 Foundry Training,附加功能：Samplin
16、g Volumes,24,在空间内是一个矩形“shoe-box”的域 数据可以在ProbeGeneral History Data 和 Text Output 获得 在域内追踪数据： 流体体积& 流体质心 域内所有固体上所受的合力和力矩 (包括壁边界上) 固体所受的压力 & 剪力 x,y,z 分力和合力 域内粒子的数量 定义 History Probes： Sampling Volumes window: add:,FLOW-3D v11 Foundry Training,网格划分,FLOW-3D 水利工程介绍,25,Tony,内容,26,什么是一个网格块？ 划分网格步骤 网格块术语 增加网格
17、块的方式 设置网格面位置 FLOW-3D 如何产生网格 对于单个网格块，最佳参数推荐值 对于复合网格块（linked & nested & conform to open or blocked） ，最佳参数推荐值 验证网格划分的品质（FAVORize） 检查网格块信息,什么是一个网格块？,27,网格块：是一个模型空间的矩形域，流体可以在域内流动 由网格线细分网格块 (单元面) 单元是网格线间构成的体 以单元和面为计算 网格规格控制重要事情 ： 计算点的位置 相连计算点间的间距 当插值计算时纵横比 网格划分通常是模拟的一个最重要组成部分！ 一个好的网格划分可以让模拟顺利进行下去且结果准确 一个差
18、的网格划分可以使模拟无法进行下去且结果失真,提供多种方式增加网格块,28,创建一个新的网格块： 网格操作窗口: add: OR 右键 Mesh Cartesian Add a Mesh Block 在树状栏中手动修改域的范围 对现有的网格块，复制或拆分： 对现有的某网格块单击右键： 做一个复制网格块或 拆分成多个网格块 利用鼠标画一个网格域 在Mesh 菜单下Create (Ctrl+M) 在屏幕拖动鼠标左键画出网格域,网格划分步骤,29,定义几何,FAVORize,网格划分,反复如上操作直至几何被解析出, 导入 CAD 数据（几何设计） 网格划分 检查网格解析度（ FAVORize ） 根据
19、经验原则检查纵横比是否符合,FLOW-3D v11 Foundry Training,网格块术语,30,grid line = 单元分配器由FLOW-3D动态放置单元线,mesh plane 1 = 在网格块中第一个网格线= z-min 范围 = z-min 边界,mesh plane 2 = 在Z轴方向用户指定的网格线,cell size =相邻网格线间的距离,cell count = 在网格面间单元数量某一方向的单元数量在一个或多个网格块的单元总数量,局部参数优先于全局参数 网格面（ Mesh Plane）可以在所需位置强制添加 若引起差的纵横比，那么Cell sizes 和 counts
20、 将被覆盖或重新调整,FAVOR & 网格解析度,31,Subcomponents 必须至少包含一个网格交叉点 在单元中心的角点将丢失 体积和面积比例是两个网格线的交叉点计算的 在每个单元和每个网格线中，仅允许存在一个表面 模拟是采用网格解析后几何图形,指定网格面（ Mesh Planes）,32,选中现有网格面，单击右键 尽可能少使用网格面 解析平行轴的平坦的表面 解析边 解析角点 仅当必要时使用Why?,FLOW-3D 如何生成此种网格？,利用以下的要求和网格生成算法，来产生网格线： 在某个给定方向上的总单元数量 在网格面间的单元数量 网格面的单元间距 稳定性考虑优于其它！,total c
21、ells in a direction,requested cell count on between two mesh planes,requested cell size on either side of a mesh plane,33,在嵌套块,34,增加Mesh Plane#2,增加 Mesh Plane#3,增加 Mesh Plane#2,增加 Mesh Plane#3,对于连接式网格块来说,35,经验原则与设置嵌套块相同 网格块间可以考虑部分重叠！,在红色的网格块增加网格面,在绿色的网格块增加网格面,需要 2:1 比值,红色 & 绿色网格块的边完全贴合或部分重叠,对于confor
22、m to volume 相符网格块来说，最佳推荐值,36,在减少计算量,最好是 2:1 比值,验证网格划分的品质,FAVORize 可视化!,Mesh Information 单击右键,Diagnostics Preprocessor Summary prpout.xxxx Search for mismatch * * summary of open areas at inter-block boundaries * between blocks % difference open areas 1 3 9.07276E-03 2.81800E+01 2.81774E+012 3 1.9072
23、1E-02 2.20976E+01 2.21018E+012 4 2.75108E-03 2.80929E+01 2.80921E+01 open area mismatch at inter-block boundaries of all blocks as % of total open area at these mesh boundaries = 9.62663E-03 * end of inter-block open area summary * *,FAVORize,38,FAVORize,验证网格划分的品质,可以检查网格是否存在问题可以对比favor几何与stl的是否存在失真情
24、况,开放面积不匹配性,开放面积不匹配: 在一个内部边界（ inter-block ）处计算开放面积的差异度 范例：一个圆柱物体，由两个网格块划分且采用不同解析度 在网格交界面处几何形状差异度很大（如下图所示） 这种突变可能会引起数值问题 避免过大变化以防止此问题发生 2:1 为最佳推荐值!,边界条件,40,FLOW-3D 铸造工程介绍,Tony,FLOW-3D v11 Foundry Training,编辑边界条件,41,每个网格块都有一个边界树 字母代表边界类型 点击字母并编辑某个边界,流体或热量都无法穿越对称边界 对称边界上剪应力为零 可有效减少对称问题的计算量对称边界设定，需确认是否合乎
25、物理现象。,Symmetry 对称边界,流体无法穿过壁边界 可以计算壁边界上的剪应力 (需给定粘滞系数) 可给定热源（温度或是功率） 无法给定表面粗糙度 (roughness),Wall 壁边界,Viscous boundary layers,速度边界条件可以为常数或随时间变化 整个边界上速度变化为单调的 (uniformly) 利用挡板或实体挡板挡住边界定义出部分区域流速,Velocity 速度边界,物理模型,FLOW-3D 铸造工程介绍,Tony,45,充填过程 缺陷分析 卷气 表面缺陷 传热 紊流 模具侵蚀 背压 几何性质 水路热循环分析 GMO模型,第一节.铸造使用的物理模型,oxid
26、e defects within the casting,3D visualization of surface defects, 回答问题: “铸造过程中哪些物理模型可用来预测缺陷?” air entrainment air inclusions (bubbles) defect tracking (oxide defects) micro-porosity shrinkage holes cavitations solidification effects (cold cap, ),铸造缺陷模型的应用,物理模型界面,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
27、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/流体的混合率Cair用来代表卷气量多少,a,Air entrainment卷气,s,限制 - 无法模拟卷气气泡的大小,Note: It is not necessary to use turbulence for this model,案例,entrained air,porosity in an aluminum die casting,找出含气量 “高”区域最易发生气孔缺陷的位置,传热模型,固体不求解热传导方程 在仿真过程模具温度为定值,考虑固体的热传导 必须给定固体对象密度与比热等物理参
28、数 如果设为零，固体对象将为等温 有几种热传系数 固体与固体间 固体与空气间 流体与空气间 流体与固体间,Fluid to solid heat transfer “Full energy equation” noticeable temperature changes of form, cores etc. during form filling (gravity casting with long casting times) solidification simulation (RESTART calculation after form simulation) option of hi
29、ding cells (“Domain removing”),“Heat transfer“ 传热模型的应用,3D view inside a mould during solidification, 回答问题: “可以用 full energy equation 来求解固体温度场 (模具, 型芯, )?” 若需计算，则必须打开” full energy equation” 选项 若不需要计算区域，可利用“Domain removing “ 选项 若减少计算量，可利用 “Maximum Thermal Penetration Depth” 设定传热深度 (快速而有效),Heating of t
30、he mould during solidification,常用的换热系数表,减少计算时间与内存 基于半无穷域的一维热穿透解(1-D heat penetration solution),传热方程与热传影响层,其中 为固体热扩散系数 =/( Cp) 为固体的导热率 Cp为固体密度*固体的比热 t 为接触时间 为热穿透深度,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%,FLOW-3D 从流体局部压力和空化压力差值预测腐蚀发生的可能性 (cavitation
31、potential). 差值越大代表腐蚀或模具侵蚀越可能发生. Cavitation potential 数值最高的区域，通常是最可能发生模具侵蚀,Die Erosion模具冲蚀,表面缺陷追踪: 氧化物与残渣,氧化物 (Oxidation) 和其它充填过程从金属液卷入的杂质，都会影响铸件品质。缺陷追踪 (defect tracking) 模型可能用来预测缺陷可能发生的区域,Figure 1:Maximum bending stress of an aluminum plate as a function of filling rate (from John Campbell).,Figure
32、2:Micrograph of a crack surface of a motorcycle break pedal; reportedly, the pedal broke during a ride.,表面缺陷追踪,氧化渣主要是基于金属与空气接触时间的长短。 氧化模的生成率是固定且可以依据实际状况自由给定(0.0). 结果数值是代表表面缺陷发生的可能性，数值越大可能性就越大. 注意：数值本身不具有任何含义，只是代表一个趋势C(x,t) - oxide film concentration;t time.,at free surface in the bulk,Aluminum die c
33、asting likely location of defects,案例,当分析结果时, 找出缺陷的“集中” 最易发生缺陷的位置.,Magnesium die casting,Aluminum die casting,粘度与紊流,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 RNG 增加 CPU 的计算量基本上不超过 20% ，不过相对层流流场，通常需要较佳的网格密度或解析度去仿真紊流流场;,3D visualization of air bubbles (HPDC process),Air bubbles durin
34、g filling process,filling process without bubble model,铸造背压的应用,模具内的空气受到金属挤压产生较大的压力，可能导致金属额外的流动阻力。 在单一流体的铸造充填模拟过程中，可以利用bubble模型近似仿真空气对金属流动造成的阻力，不过事实上并没有真的去计算bubble内的空气流动行为。,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,绝热气泡,Valve 排气,Valve 模型必须与 adiabatic bubble 一起使用，模型采用 cont
35、inuity 和 Bernoulli 方程计算 其中Pref是外部压力，p 为气泡压力， 为气体密度 A 为横截面积，C为损失系数，Y为压缩因子 其中损失系数的单位为 L3.5/M0.5.损失系数是一个 0 到 1.414，记住系数越大，损失越少对于孔而言，推荐值为0.8484，通常我们采用0.777，在标准压力和温度下压缩因子为1，空气的密度为1.225 kg/m3,将冷却道定义为固体,Temperature field of a mould (cycle calculation),inclusion of the tempering system, “Thermal die cycling
36、” 可以得到更接近实际的初始模具温度场分布（经过数次充型+凝固+开模+喷离型剂+）,“Thermal die cycling“ 模具热循环模型的应用,第二节凝固与收缩,凝固缺陷 缩孔 Porosity 缩孔 Macro porosity 缩松 Micro-porosity,Solidification and Shrinkage凝固与收缩,Cold cap,3D visualization of temperature (Lost Foam Process), 铸造充型及凝固过程，需打开 “solidification model “ 凝固模型,充型过程凝固模型的应用,FLOW-3D提供两种缩
37、孔的模拟方式： - 缩孔 - 缩松 两种模型都是假设金属密度是与凝固率呈线性关系:其中 rs 和 rl 分别是固相与液相的密度 两种模型都是基于热传分析 收缩是利用三维温度分布和凝固率计算 这两种模型可以相互搭配使用 快速收缩模式假设流体没有流动 缩松可以和任何的流动与凝固模型一起使用,凝固过程的缩孔现象,有几个不同的收缩阶段: 在凝固开始阶段(solid coherency point)以下,重力为最重要的控制因素 L稍后，收缩主要发生在枝晶间 (interdendritic) 流体，与重力无关 当凝固率超过临界值，不考虑收缩效应. 主要是利用临界与 coherency 凝固率来区别,Rap
38、id Shrinkage Model 快速收缩模式,g,solid,I. Feeding by gravity:min(Fs) FSCO,II. Interdendritic feeding at later stages:min(Fs) FSCO,cooling,liquid,mushy,very mushy,solid,凝固收缩: Steel Ingot 钢锭,FSCO=0.15 FSCR=0.67 (default),FSCO=0.0 FSCR=0.67,FSCO=0.7 FSCR=0.8,Macroporosity 缩孔主要是用流体比率表示:F = 1.0 完好铸件F 1.0 含气孔铸
39、件 孔隙的大小与位置可以利用调整临界与 coherency 凝固率值来控制,缩孔模型,需要选择 simple shrinkage model 和 Interdendritic feeding only当选择枝晶间补缩时，忽略了重力补缩的影响。该补缩方式是沿着温度梯度方式发生的-即从热向冷区域，这种方式更适用于高压铸造过程，尤其是薄壁件。若采用标准的重力补缩模型可能会过高预测补缩的量。,Micro-porosity Model 缩松模型,当凝固率超过临界值时Fs FSCR.，计算缩松生成 考虑金属体积模量:a - speed of sound in the solidifying metal,p
40、0 intensification or initial pressure. 当压力降到低于临界值，孔隙生成. 增压将会降低孔隙的产生 孔隙是以体积百分比的形式计算储存,A380 die casting,缩松模型验证,第三节.利用GMO移动模型,物体移动: 耦合运动 指定运动方式(移动速度) 混合耦合与指定运动 可考虑六个自由度 移动 转动 固定移动或旋转轴 可考虑多个移动对象 可考虑弹性或非弹性碰撞 只有固体可设为移动对象,General Moving Objects (GMO)移动功能,打开GMO移动模型,案例：冷室与热室铸造,Hot chamber filling process,Cold chamber filling process,
