第二章FLOW-3D_填充

1、第二章、第二章、FLOW-3D 鑄造鑄造 充填分析充填分析 FLOW-3D v9.2 目錄 1. 可接受之圖檔格式 2. 網(wǎng)格建立 3. 成形條件設(shè)定 4. 成形材料選擇 5. 指定物理量 充填模式 6. 模具材料選擇 7. 邊界條件定義 8. 初始條件設(shè)定 9. 輸出資料 10. 數(shù)值選項(xiàng)設(shè)定 11. 執(zhí)行第一組分析 2.1、FLOW-3D 可接受之圖檔 FLOW-3D 接受多種圖檔及網(wǎng)格格式，可從外部繪圖程 式或其他 CAE 前處理器轉(zhuǎn)入。不過在預(yù)設(shè)的前處理器 中，僅能直接讀取 STL 格式。其馀格式必須以文字編 輯器編輯 Prepin 檔。 STL UNV Other meshes 操作

2、 STL（stereolithography ）format 大部分的 CAD 都支持 STL 格式輸出。STL 格式轉(zhuǎn)出 時(shí)，實(shí)體圖檔會(huì)以三角形面完全包覆，轉(zhuǎn)出格式則包 含三角形的三個(gè)點(diǎn)的座標(biāo)，以及三角形的法線方向。 所有的座標(biāo)格式均采用直角座標(biāo)系 (Cartesian coordinate system)。 STL 格式 STL 檔案是以”.stl”為副檔名，STL格 式是以近似的外包曲面來代表物體的表 面。STL 檔案中包含一序列的面資料， 每一個(gè)面資料以一個(gè)單位法向量（ Normal vector）以及三個(gè)頂點(diǎn)（vertices ）座標(biāo)來表示。因此是以 12 個(gè)數(shù)字來 代表一個(gè)面。 S

3、TL 檔案分為 Ascii 及 Binary 兩種格式 ，Ascii 的 STL 檔案只是為了讓使用者 可以看出其格式并且進(jìn)行編輯，但是檔 案格式較大。由於 FLOW-3D 兩種格式 都可以接受，建議生成格式采用 Binary 格式（Binary 格式的 STL 檔案較小）。 (x1,y1,z1) (x2,y2,z2) (x3,y3,z3) Normal Vector I-DEAS Universal File FLOW-3D 也可接受從其他 CAD 或 CAE 產(chǎn)生之 tetrahedral 網(wǎng)格檔，預(yù)設(shè)格式為 I-DEAS 的 Universal 格 式（副檔名為 .unv），由於讀入的資

4、料僅需四個(gè)頂點(diǎn) 的座標(biāo)以及其關(guān)連性，因此即使是其他格式的網(wǎng)格檔 ，只要符合這個(gè)格式，就可以讀取。 如果要輸入此類格式之網(wǎng)格檔，必須以 notepad 編輯 Prepin 檔。 FIDEAS(L)=filename. 預(yù)設(shè)檔案名稱為 “cadfnn.inp” ，nn 為數(shù)字. 轉(zhuǎn)入之圖檔同樣可以在 FLOW-3D 內(nèi)進(jìn)行平移/旋轉(zhuǎn)/縮 放等設(shè)定。 其他網(wǎng)格格式 FLOW-3D 也支持由 ANSYS 轉(zhuǎn)出之 Tetra Element 網(wǎng)格 檔，不過必須將檔案分為兩部分，分別是座標(biāo)檔以及 網(wǎng)格關(guān)連檔。 在鑄造領(lǐng)域設(shè)定時(shí)，建議使用者直接以 STL 檔作為分 析檔案格式。 操作：從前處理器加入 STL

5、 檔 加入加入 STL 檔檔 FLOW-3D 沒有限制沒有限制 STL 檔的數(shù)量，如檔的數(shù)量，如 果需要加入多個(gè)果需要加入多個(gè) STL 檔，可以重復(fù)加入檔，可以重復(fù)加入 Geometry file(s) 幾何圖檔設(shè)定 變更物件單位及變更物件單位及 圖檔類型圖檔類型 單位轉(zhuǎn)換單位轉(zhuǎn)換 變更類型變更類型 實(shí)體實(shí)體孔孔 組件組件 Unit 單位 FLOW-3D 內(nèi)定單位為 SI（m, Kg, ） CGS（cm, g, ） ENGINEERING（英制） 由於大部分鑄件繪圖單位為 mm，因此在 FLOW-3D 讀 入圖檔時(shí)建議將單位轉(zhuǎn)換至 CGS 制。 1 mm = 0.1 cm，因此單位轉(zhuǎn)換時(shí) Gl

6、obal magnitude 必 須填入 0.1。 Component Type 物件類別 SolidHole Complement 2.2、網(wǎng)格建立 網(wǎng)格基本設(shè)定 Uniform Meshes Non-Uniform Meshes 網(wǎng)格建立重點(diǎn) Multi-Block Meshes 操作：建立網(wǎng)格 網(wǎng)格基本設(shè)定 Uniform Meshes Non-Uniform Meshes 使用時(shí)機(jī)：大部分狀況，建議采用使用時(shí)機(jī)：大部分狀況，建議采用 Uniform Meshes。如果是。如果是 External Flow 的案例，再利用的案例，再利用 Non-Uniform Meshes 減少網(wǎng)格數(shù)量

7、減少網(wǎng)格數(shù)量 網(wǎng)格建立重點(diǎn) 盡量采用盡量采用 Uniform Meshes 格式。網(wǎng)格的格式。網(wǎng)格的 Aspect Ratios 盡量趨近於盡量趨近於 1（正立方體）。（正立方體）。Aspect Ratio 建議不要超建議不要超 過過 3.0；如果是采用；如果是采用 Non-Uniform Mesh 格式時(shí)，相鄰格式時(shí)，相鄰 的網(wǎng)格尺寸比例建議不要超過的網(wǎng)格尺寸比例建議不要超過 1.25。 如果分析中包括表面張力計(jì)算，在表面區(qū)域盡量采用如果分析中包括表面張力計(jì)算，在表面區(qū)域盡量采用 Uniform Meshes。 Multi-Block Meshes FLOW-3D 於 V8.0 版之後，推出

8、 Multi-Block Meshes 的設(shè)定方式。Multi-Block Meshes 可以適用於各種應(yīng)用 領(lǐng)域，能夠在分析模型中進(jìn)行局部或整體的網(wǎng)格尺寸 調(diào)整，大幅減少分析時(shí)所需之內(nèi)存。 網(wǎng)格區(qū)塊（Mesh Block）不允許局部重疊，僅能完全 相接或者是完全重疊。FLOW-3D 并沒有限制僅能采 用 Connected Blocks 或是 Nested Blocks，也沒有限制 網(wǎng)格區(qū)塊的連接方式（連接方式與流體的流動(dòng)方向無 關(guān)）。使用者可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。 Multi-Block Meshes Connected 接續(xù)式網(wǎng)格區(qū)塊接續(xù)式網(wǎng)格區(qū)塊 Nested 巢式網(wǎng)格區(qū)塊巢式網(wǎng)格區(qū)

9、塊 Multi-Block Meshes 應(yīng)用 網(wǎng)格區(qū)塊可同時(shí)存在網(wǎng)格區(qū)塊可同時(shí)存在 Nested 及及 Connected 格式格式 發(fā)生發(fā)生部分重疊部分重疊，這樣的，這樣的 網(wǎng)格區(qū)塊無法使用網(wǎng)格區(qū)塊無法使用 部分重疊部分重疊 Multi-Block Meshes 設(shè)定重點(diǎn) 網(wǎng)格區(qū)塊數(shù)量越少越好；每增加一個(gè)網(wǎng)格區(qū)塊，至少 會(huì)增加一個(gè)需要計(jì)算疊代的邊界。不必要的網(wǎng)格區(qū)塊 會(huì)增加疊代可能造成的數(shù)值誤差以及增加分析時(shí)間。 網(wǎng)格區(qū)塊之間的 Aspect Ratio（網(wǎng)格尺寸）盡量采用 1.0 2.0 之間。 避免在流場(chǎng)紊亂（壓力梯度較大）的位置建立網(wǎng)格區(qū) 塊，網(wǎng)格區(qū)塊連接的位置盡量位於流場(chǎng)平緩的區(qū)域

10、。 在網(wǎng)格區(qū)塊的連接位置，以 Fixed Point 確認(rèn)網(wǎng)格區(qū)塊 的連接，這樣可以減少網(wǎng)格區(qū)塊連接位置的體積誤差 量。 操作：建立網(wǎng)格 顯示網(wǎng)格顯示網(wǎng)格 隱藏網(wǎng)格隱藏網(wǎng)格 切換成圓柱座標(biāo)切換成圓柱座標(biāo) 增加網(wǎng)格區(qū)塊增加網(wǎng)格區(qū)塊 網(wǎng)格區(qū)塊資訊網(wǎng)格區(qū)塊資訊 網(wǎng)格區(qū)塊的調(diào)整 新增網(wǎng)格區(qū)塊 刪除網(wǎng)格區(qū)塊 自動(dòng)切割網(wǎng)格 調(diào)整網(wǎng)格區(qū)塊調(diào)整網(wǎng)格區(qū)塊 網(wǎng)格資訊網(wǎng)格資訊 網(wǎng)格區(qū)塊尺寸調(diào)整 移動(dòng)網(wǎng)格區(qū)塊 復(fù)制網(wǎng)格區(qū)塊 分割網(wǎng)格區(qū)塊 自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格區(qū)塊至幾何圖檔 大小 隱藏網(wǎng)格 顯示網(wǎng)格 僅顯示單一網(wǎng)格區(qū)塊 顯示所有網(wǎng)格區(qū)塊 常用指令常用指令 Mesh adjustment 以鼠標(biāo)調(diào)整網(wǎng)格大小以鼠標(biāo)調(diào)整網(wǎng)格大小 步

11、距大小可調(diào)整不同的數(shù)值步距大小可調(diào)整不同的數(shù)值 Auto Mesh 自動(dòng)自動(dòng) 空氣密度值空氣密度值 在在 Active 模式需要計(jì)算空氣卷入量對(duì)於流模式需要計(jì)算空氣卷入量對(duì)於流 體密度的影響時(shí)，才需要填入空氣密度值。體密度的影響時(shí)，才需要填入空氣密度值。 一般計(jì)算（一般計(jì)算（Passive）不需要填入此數(shù)值。）不需要填入此數(shù)值。 表面張力系數(shù)表面張力系數(shù) Defect Tracking（缺陷追蹤） 鑄件的機(jī)械強(qiáng)度與鑄造過程中生成的氧化膜、卷氣， 以及其他在充填過程中夾雜於固體內(nèi)之雜質(zhì)息息相關(guān) 。表面追蹤模型（The Surface Defect Tracking model） 會(huì)記錄金屬液體與

12、表面空氣接觸的時(shí)間以及接觸面， 能夠讓使用者預(yù)測(cè)金屬氧化膜的生成位置以及集中區(qū) 域。 Defect Tracking 的數(shù)據(jù)為相對(duì)數(shù)值，如果的數(shù)據(jù)為相對(duì)數(shù)值，如果 有實(shí)驗(yàn)，可以叁考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給定資料有實(shí)驗(yàn)，可以叁考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給定資料 ；也可以給定一正整數(shù)，叁考其顯示；也可以給定一正整數(shù)，叁考其顯示 之位置。之位置。 跟蹤多余的表面和跟蹤多余的表面和/或流體氣泡缺陷氧或流體氣泡缺陷氧 化層生成速率化層生成速率 Density Evaluation FLOW-3D 內(nèi)的流體密度可以是其他變數(shù)的函數(shù)，例如 溫度或是固化率。舉例而言，計(jì)算時(shí)可以考慮流體密 度隨著流體溫度的變化。 Gravity（重力） F

13、LOW-3D 內(nèi)的重力方向是以卡式座標(biāo)系定義。數(shù)值可 為 X, Y, Z 三方向之一，或者是以分量的方式加以組合 。 如果流體運(yùn)動(dòng)過程中，重力方向會(huì)隨著時(shí)間變化（例 如傾斜鑄造 Tilt Casting），可以改用 Non-Inertial Reference Frame 加以定義。 重力單位為重力單位為 CGS Heat Transfer（熱傳） 熱傳計(jì)算必須先啟動(dòng)內(nèi)能計(jì)算，再?zèng)Q定熱傳形式。 FLOW-3D 預(yù)設(shè)之內(nèi)能（internal Energy）計(jì)算方式系 采用 1st-order upwind differencing method 的內(nèi)能計(jì)算方 程式，適用於大部分的應(yīng)用案例。如果使

14、用者的流場(chǎng) 形式需要較高的精度計(jì)算，例如浮力場(chǎng)（buoyant flows ）溫度可能會(huì)隨著流體密度變化的狀況，才需要開啟 二階計(jì)算。 流體內(nèi)能平流流體內(nèi)能平流 沒有傳熱模型沒有傳熱模型 第一順序第一順序 第二次保存第二次保存 Heat Transfer and Conduction in Components Heat Transfer and Conduction in Components Full energy equation 熱傳計(jì)算包含整個(gè)物件，因此固體部分的 Thermal Conductivity 和 Density*Specific Heat 都必須填入數(shù)值 ，否則整個(gè)物件

15、會(huì)被當(dāng)作是固定溫度而不進(jìn)行相關(guān)的 計(jì)算。 Heat transfer 為了縮短計(jì)算時(shí)間，使用者可以采為了縮短計(jì)算時(shí)間，使用者可以采 用 First order / Uniform component temperatures （此時(shí)假設(shè)模具溫度（此時(shí)假設(shè)模具溫度 為等溫，程式不計(jì)算模具內(nèi)的溫度為等溫，程式不計(jì)算模具內(nèi)的溫度 分布）分布） FLOW-3D V9.2 以後的版本針對(duì)此以後的版本針對(duì)此 設(shè)定以及未開啟熱傳分析的專案會(huì)設(shè)定以及未開啟熱傳分析的專案會(huì) 自動(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)啟動(dòng) Active Mesh 設(shè)定，可大設(shè)定，可大 幅度的縮短分析時(shí)間。幅度的縮短分析時(shí)間。 流體固體熱轉(zhuǎn)移流體固體熱轉(zhuǎn)移 S

16、olidification 當(dāng)啟動(dòng)固化模型（Solidification Model），以及指定熱 傳、比熱以及熱傳導(dǎo)後，固化計(jì)算就可以進(jìn)行。 預(yù)設(shè)計(jì)算過程中，鑄件的潛熱（latent heat）會(huì)以線性 的方式從液態(tài)溫度降低至固化溫度；如果潛熱釋放的 狀況較復(fù)雜，可以利用編輯 Specific Energy Tables （ Fluids Solidification Properties Specific Energy Tables ）的方式定義潛熱釋放為溫度相關(guān)的方程式。 Solidification options 充填階段僅需開啟固化（程式會(huì)考充填階段僅需開啟固化（程式會(huì)考 慮相變化

17、造成的凝固）慮相變化造成的凝固） 單純進(jìn)行充填仿真時(shí)，僅需開單純進(jìn)行充填仿真時(shí)，僅需開 啟啟 Activate solidification，其馀，其馀 選項(xiàng)維持初始設(shè)定即可。選項(xiàng)維持初始設(shè)定即可。 Viscosity and turbulence 黏度（Viscosity）是流體的一種性質(zhì)，用來描述流體分子間相互 運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的組抗。FLOW-3D 支持牛頓流體（Newtonian Fluid） 與非牛頓流體（Non-Newtonian Fluid）之描述。 紊流是流體的一種流動(dòng)狀況。當(dāng)流速很低時(shí)，流體分層流動(dòng)，互 不混合，稱為層流（Laminar flow），逐漸增加流速，流場(chǎng)中的流 線會(huì)出

18、現(xiàn)波浪狀的擺動(dòng)，擺動(dòng)的頻率及振幅會(huì)隨著流速的增加而 增加；當(dāng)流速很大時(shí)，流線不再清晰可辨，流場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)許多小 漩渦，稱為紊流（Turbulence Flow）。 層流與紊流的差別可以用雷諾述加以量話。雷諾數(shù)小時(shí)，黏滯力 對(duì)流場(chǎng)的影響大於慣性力；雷諾數(shù)越大，慣性力對(duì)流場(chǎng)的影響會(huì) 大於黏滯力。流態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的雷諾數(shù)值稱為臨界雷諾數(shù)。一般管道 雷諾數(shù) Re2300 為層流狀態(tài)，Re 4000 為亂流狀態(tài)，Re2300 4000為過渡狀態(tài)。 Viscosity and turbulance 一般鑄造制程，建議選用一般鑄造制程，建議選用 Turbulent / RNG model Turbulent mix

19、ing length 不需要填入不需要填入 數(shù)值。數(shù)值。 2.6、模具材料選擇 模具材料的材質(zhì)會(huì)影響熱傳遞的速度以及模具溫度的 分布。不同的材料其溫度傳遞的速度也會(huì)不同。 FLOW-3D 內(nèi)建模具材料資料庫，使用者也可以自行編 輯加入。 需要蒼集的資料包括了模具材料的密度、比熱，熱傳 遞系數(shù)，以及成形時(shí)的模具溫度。 操作：選擇模具材料 Tools/Solids Database 不同的成形金屬對(duì)應(yīng)不同的模具材料不同的成形金屬對(duì)應(yīng)不同的模具材料 ，必須填入不同的熱傳遞系數(shù)，必須填入不同的熱傳遞系數(shù) 填入成形時(shí)的模具溫度填入成形時(shí)的模具溫度 模具溫度指定 如果已知模具溫度，直接填入溫度。FLOW-

20、3D 的溫度 單位為 K ，因此必須把攝氏溫度 + 273.15。 大部分的壓鑄模具溫度，會(huì)設(shè)定為成形金屬溫度的 1/3 25。 2.7、邊界條件設(shè)定 邊界條件代表澆注過程如何執(zhí)行。FLOW-3D 支持壓力 邊界條件以及速度邊界條件，澆注狀況可設(shè)定與時(shí)間 相關(guān)（隨著時(shí)間變化而調(diào)整壓力或速度的大?。?高壓鑄造：一般以速度做為邊界條件設(shè)定。 低壓鑄造：一般以壓力做為邊界條件設(shè)定。 重力鑄造：一般以壓力（大氣壓力）做為邊界條件 ；如果操作人員刻意減慢傾倒速度，可以根據(jù)大概 的充填時(shí)間換算成速度邊界填入。 傾斜鑄造：一般以角速度與時(shí)間的變化直接於 Non- Inertial RF 內(nèi)設(shè)定。 壓鑄邊界

21、條件條件計(jì)算 如果使用者知道壓鑄機(jī)的充填速度，可以直接換算成 柱塞頭的移動(dòng)速度，當(dāng)作是邊界條件。 如果使用者不知道壓鑄機(jī)的充填速度，可以改用一般 設(shè)計(jì)常用的建議內(nèi)澆口充填速度換算成柱塞頭的 移動(dòng)速度。 叁考數(shù)據(jù) 充填速度充填速度 m/sec 鋁鋁20-60 鋅鋅30-50 鎂鎂40-90 黃銅黃銅20-50 內(nèi)澆口面積內(nèi)澆口面積 A1 內(nèi)澆口速度內(nèi)澆口速度 V1 柱塞頭面積柱塞頭面積 A2 柱塞頭速度柱塞頭速度 V2 A1*V1 = A2*V2 V2 = A1*V1/A2 V2 為邊界條件之速度值為邊界條件之速度值 （單位必須換算為（單位必須換算為 CGS制）制） 操作：指定邊界條件 成形溫度

22、成形溫度 填入溫度（填入溫度（K） 2.8、初始條件設(shè)定 FLOW-3D 可設(shè)定多項(xiàng)初始條件，但是在鑄造領(lǐng)域中， 最重要的兩項(xiàng)分別是模穴內(nèi)的初始空氣壓力以及初始 空氣溫度。 由於單位（CGS制）上的考量，壓力必須經(jīng)過換算。 一大氣壓 = 1.013 e6。溫度部分則是必須以 K 作為換算 。攝氏單位必須加上 273.15 才是凱氏單位。舉例而言 ，20 度的室溫 = 293.15 K。 操作：設(shè)定初始條件 Void 指的是空孔的區(qū)域。金屬未指的是空孔的區(qū)域。金屬未 充填前，整個(gè)模穴的區(qū)域?yàn)槌涮钋埃麄€(gè)模穴的區(qū)域?yàn)?Void 。 2.9、輸出設(shè)定 FLOW-3D 的輸出資料是以時(shí)間作為單位。如果使用者 沒有指定輸出時(shí)間，程式預(yù)設(shè)值會(huì)根據(jù)填滿百分比輸 出 10 張圖片。建議使用者先大概估算一下需要填滿的 時(shí)間，再設(shè)定輸出圖片的時(shí)間間隔。 如果時(shí)間間格設(shè)定太短，輸出的資料量可能非常大， 使用者可以指定某些特別重要的物理量以較短的 間隔輸出，其馀的則是以預(yù)設(shè)值輸出。 Output 程式預(yù)設(shè)值每填滿程式預(yù)設(shè)值每填滿 10% 會(huì)輸出一張圖會(huì)輸出一張圖 如果在此處填入時(shí)間間