第二章FLOW3D-填充分析

第二章、FLOW-3D鑄造

充填分析

FLOW-3D?v9.2目錄可接受之圖檔格式網(wǎng)格建立成形條件設(shè)定成形材料選擇指定物理量–充填模式模具材料選擇邊界條件定義初始條件設(shè)定輸出資料數(shù)值選項設(shè)定執(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。STLUNVOthermeshes操作STL（stereolithography）format大部分的CAD都支持STL格式輸出。STL格式轉(zhuǎn)出時，實體圖檔會以三角形面完全包覆，轉(zhuǎn)出格式則包含三角形的三個點的座標(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(Cartesiancoordinatesystem)。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，每一個面資料以一個單位法向量（Normalvector）以及三個頂點（vertices）座標(biāo)來表示。因此是以12個數(shù)字來代表一個面。STL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?。?。(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)(x3,y3,z3)NormalVectorI-DEASUniversalFileFLOW-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），由於讀入的資料僅需四個頂點的座標(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TetraElement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，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檔加入STL檔

FLOW-3D沒有限制STL檔的數(shù)量，如果需要加入多個STL檔，可以重復(fù)加入Geometryfile(s)幾何圖檔設(shè)定變更物件單位及圖檔類型單位轉(zhuǎn)換變更類型實體孔組件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讀入圖檔時建議將單位轉(zhuǎn)換至CGS制。1mm=0.1cm，因此單位轉(zhuǎn)換時Globalmagnitude必須填入0.1。ComponentType物件類別SolidHoleComplement2.2、網(wǎng)格建立網(wǎng)格基本設(shè)定UniformMeshesNon-UniformMeshes網(wǎng)格建立重點Multi-BlockMeshes操作：建立網(wǎng)格網(wǎng)格基本設(shè)定UniformMeshesNon-UniformMeshes使用時機：大部分狀況，建議采用UniformMeshes。如果是ExternalFlow的案例，再利用Non-UniformMeshes減少網(wǎng)格數(shù)量網(wǎng)格建立重點盡量采用UniformMeshes格式。網(wǎng)格的AspectRatios盡量趨近於1（正立方體）。AspectRatio建議不要超過3.0；如果是采用Non-UniformMesh格式時，相鄰的網(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算，在表面區(qū)域盡量采用UniformMeshes。Multi-BlockMeshesFLOW-3D於V8.0版之後，推出Multi-BlockMeshes的設(shè)定方式。Multi-BlockMeshes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，大幅減少分析時所需之內(nèi)存。網(wǎng)格區(qū)塊（MeshBlock）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ConnectedBlocks或是NestedBlocks，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方向無關(guān)）。使用者可以根據(jù)實際需求進(jìn)行調(diào)整。Multi-BlockMeshesConnected

接續(xù)式網(wǎng)格區(qū)塊Nested

巢式網(wǎng)格區(qū)塊Multi-BlockMeshes應(yīng)用網(wǎng)格區(qū)塊可同時存在Nested及Connected格式發(fā)生『部分重疊』，這樣的網(wǎng)格區(qū)塊無法使用部分重疊Multi-BlockMeshes設(shè)定重點網(wǎng)格區(qū)塊數(shù)量越少越好；每增加一個網(wǎng)格區(qū)塊，至少會增加一個需要計算疊代的邊界。不必要的網(wǎng)格區(qū)塊會增加疊代可能造成的數(shù)值誤差以及增加分析時間。網(wǎng)格區(qū)塊之間的AspectRatio（網(wǎng)格尺寸）盡量采用1.0~2.0之間。避免在流場紊亂（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平緩的區(qū)域。在網(wǎng)格區(qū)塊的連接位置，以FixedPoint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)格隱藏網(wǎng)格切換成圓柱座標(biāo)增加網(wǎng)格區(qū)塊網(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)塊自動切割網(wǎng)格調(diào)整網(wǎng)格區(qū)塊網(wǎng)格資訊網(wǎng)格區(qū)塊尺寸調(diào)整移動網(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Meshadjustment以鼠標(biāo)調(diào)整網(wǎng)格大小步距大小可調(diào)整不同的數(shù)值A(chǔ)utoMesh&MeshInfo可指定網(wǎng)格總數(shù)量，或者是指定網(wǎng)格尺寸大小程式會根據(jù)指定的條件，在X,Y,Z三方向進(jìn)行網(wǎng)格切割真實網(wǎng)格數(shù)量以FAVOR檢視網(wǎng)格建立狀況在網(wǎng)格切割完成之後，可以用FAVOR檢視在現(xiàn)有網(wǎng)格數(shù)量設(shè)定下，是否能夠完整的描述模型的外型。選擇Open網(wǎng)格切割注意事項網(wǎng)格切割的層數(shù)僅需描述幾何外型，不需要生成三層以上的網(wǎng)格（單層即可）。建議采用均一尺寸的網(wǎng)格。以FAVOR工具檢視網(wǎng)格圖檔是否能完整描述原始圖檔。多網(wǎng)格區(qū)塊設(shè)定可以在網(wǎng)格數(shù)量限制下更完整的描述圖檔。但是網(wǎng)格區(qū)塊不宜過多。充填分析建議不需要超過三個（固化分析建議采用一個）。一般而言，網(wǎng)格區(qū)塊最多不宜超過五個。如果采用多個網(wǎng)格區(qū)塊，不要在流動復(fù)雜的位置做切割（盡可能在流動單純的位置進(jìn)行切割）。不同網(wǎng)格區(qū)塊的網(wǎng)格尺寸大小可以不同，但是盡量不要超過兩倍。如果要用多網(wǎng)格區(qū)塊進(jìn)行網(wǎng)格建立，盡可能采用LinkedBlocks。2.3、分析條件設(shè)定FLOW-3D

可以指定分析停止的條件。分別是：FinishTime（指定時間，時間到達(dá)時停止）FillFraction（指定充填率，充填率到達(dá)指定值時停止）SolidifiedFluidFraction（指定固化率，固化率到達(dá)指定值時停止）FinishTime為最高判斷原則，一旦到達(dá)FinishTime，程式會強迫停止。一般執(zhí)行充填仿真時，會選用FillFraction作為程式判斷條件（在FinishTime填入較大的數(shù)值）。操作：指定分析條件指定分析停止條件->FillFraction

FillFraction=1->模穴填滿率達(dá)100%才停止由於FinishTimeFinishTime到達(dá)時，程式也會停止計算；因此將此數(shù)值加大，確保程式會以FillFraction作為停止條件。完成時間填充率模穴填滿率跟蹤的接口充填方式文件類型版本選項流體的數(shù)目不壓縮不用幫助提供建議提供建議，并采取行動壓縮自由表面或尖銳的接口沒有鋒利的界面非物質(zhì)的瞬間

處理器數(shù)目導(dǎo)師選取項單位模擬單位2.4、成形材料選擇FLOW-3D內(nèi)建材料庫中，包含了大部分常用的金屬材料。使用者可以直接選用。如果材料庫內(nèi)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，也可以編輯內(nèi)建之材料。FLOW-3D是一套標(biāo)準(zhǔn)的計算流體力學(xué)（ComputationalFluidDynamics）軟件，因此支持多流體的計算方式。分析可以載入兩種不同的材料以進(jìn)行兩相流分析（鑄造領(lǐng)域不會使用到此部分功能）。FLOW-3D

內(nèi)建材料之資訊FLOW-3D

內(nèi)建材料之資訊操作：選擇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AirEntrainment卷氣DefectTracking缺陷追蹤DensityEvaluation密度變化Gravity重力HeatTransfer熱傳Solidification固化Viscosityandturbulence黏度與紊(wei)流AirEntrainment（卷氣)當(dāng)流體處於自由液面流動時，表面紊流可能會將空氣卷入流體內(nèi)，這種現(xiàn)象稱為卷氣（AirEntrainment）。鑄造過程中，卷氣可能會造成縮孔的產(chǎn)生，以及鑄件表面或結(jié)構(gòu)上的缺陷。僅開啟卷氣模型計算時，卷氣計算并不會影響到原始流體的流動模式（卷氣量不大），如果卷氣量大到足以影響流場的運動模式，就必須開啟DensityEvaluation（密度變化模型）以考慮卷氣量對於流體密度的變化。前者稱為Passive(被動）計算；而後者則是稱為Active（主動）計算。AirEntrainmentmodels填入表面張力系數(shù)并不會啟動表面張力模型計算；不過會根據(jù)表面張力系數(shù)大小計算流體表面的力平衡，以決定卷入的空氣量。卷氣率系數(shù)開啟模型自定義卷氣模式Active:主動;自動空氣密度值在Active模式需要計算空氣卷入量對於流體密度的影響時，才需要填入空氣密度值。一般計算（Passive）不需要填入此數(shù)值。表面張力系數(shù)DefectTracking（缺陷追蹤）鑄件的機械強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（TheSurfaceDefectTrackingmodel）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(yù)測金屬氧化膜的生成位置以及集中區(qū)域。DefectTracking的數(shù)據(jù)為相對數(shù)值，如果有實驗，可以叁考實驗數(shù)據(jù)給定資料；也可以給定一正整數(shù)，叁考其顯示之位置。跟蹤多余的表面和/或流體氣泡缺陷氧化層生成速率DensityEvaluationFLOW-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，計算時可以考慮流體密度隨著流體溫度的變化。Gravity（重力）FLOW-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。如果流體運動過程中，重力方向會隨著時間變化（例如傾斜鑄造TiltCasting），可以改用Non-InertialReferenceFrame加以定義。重力單位為CGSHeatTransfer（熱傳）熱傳計算必須先啟動內(nèi)能計算，再決定熱傳形式。FLOW-3D預(yù)設(shè)之內(nèi)能（internalEnergy）計算方式系采用1st-orderupwinddifferencingmethod的內(nèi)能計算方程式，適用於大部分的應(yīng)用案例。如果使用者的流場形式需要較高的精度計算，例如浮力場（buoyantflows）溫度可能會隨著流體密度變化的狀況，才需要開啟二階計算。流體內(nèi)能平流沒有傳熱模型第一順序第二次保存HeatTransferandConductioninComponentsUniformcomponenttemperatures所有的物件會被當(dāng)作是Lumpedtemperaturebody（集總溫度物件，整個物件視為一均一溫度之物件），物件內(nèi)部不計算溫度傳導(dǎo)（Density*SpecificHeat為passive），不過溫度值可以在Prepin檔內(nèi)編輯，指定為隨著時間變化。Non-uniform,constanttemperature

物件內(nèi)的溫度不均一，但是仍然不會啟動傳導(dǎo)方程式計算溫度分布，因此物件的溫度不會隨著時間而改變。物件的溫度可以利用初始條件加以定義，或者是以restart接續(xù)已有結(jié)果計算。HeatTransferandConductioninComponentsFullenergyequation熱傳計算包含整個物件，因此固體部分的ThermalConductivity和Density*SpecificHeat都必須填入數(shù)值，否則整個物件會被當(dāng)作是固定溫度而不進(jìn)行相關(guān)的計算。Heattransfer為了縮短計算時間，使用者可以采用

Firstorder/Uniformcomponenttemperatures

（此時假設(shè)模具溫度為等溫，程式不計算模具內(nèi)的溫度分布）FLOW-3DV9.2以後的版本針對此設(shè)定以及未開啟熱傳分析的專案會自動啟動ActiveMesh設(shè)定，可大幅度的縮短分析時間。流體固體熱轉(zhuǎn)移

Solidification當(dāng)啟動固化模型（SolidificationModel），以及指定熱傳、比熱以及熱傳導(dǎo)後，固化計算就可以進(jìn)行。預(yù)設(shè)計算過程中，鑄件的潛熱（latentheat）會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SpecificEnergyTables（Fluids>SolidificationProperties>SpecificEnergyTables

）的方式定義潛熱釋放為溫度相關(guān)的方程式。Solidificationoptions充填階段僅需開啟固化（程式會考慮相變化造成的凝固）單純進(jìn)行充填仿真時，僅需開啟Activatesolidification，其馀選項維持初始設(shè)定即可。Viscosityandturbulence黏度（Viscosity）是流體的一種性質(zhì)，用來描述流體分子間相互運動所產(chǎn)生的組抗。FLOW-3D支持牛頓流體（NewtonianFluid）與非牛頓流體（Non-NewtonianFluid）之描述。紊流是流體的一種流動狀況。當(dāng)流速很低時，流體分層流動，互不混合，稱為層流（Laminarflow），逐漸增加流速，流場中的流線會出現(xiàn)波浪狀的擺動，擺動的頻率及振幅會隨著流速的增加而增加；當(dāng)流速很大時，流線不再清晰可辨，流場中會出現(xiàn)許多小漩渦，稱為紊流（TurbulenceFlow）。層流與紊流的差別可以用雷諾述加以量話。雷諾數(shù)小時，黏滯力對流場的影響大於慣性力；雷諾數(shù)越大，慣性力對流場的影響會大於黏滯力。流態(tài)轉(zhuǎn)變時的雷諾數(shù)值稱為臨界雷諾數(shù)。一般管道雷諾數(shù)

Re＜2300

為層流狀態(tài)，Re

＞4000

為亂流狀態(tài)，Re＝2300～4000為過渡狀態(tài)。Viscosityandturbulance一般鑄造制程，建議選用Turbulent/RNGmodelTurbulentmixinglength不需要填入數(shù)值。2.6、模具材料選擇模具材料的材質(zhì)會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)，以及成形時的模具溫度。操作：選擇模具材料Tools/SolidsDatabase不同的成形金屬對應(yīng)不同的模具材料，必須填入不同的熱傳遞系數(shù)填入成形時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-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)定與時間相關(guān)（隨著時間變化而調(diào)整壓力或速度的大小）。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)大概的充填時間換算成速度邊界填入。傾斜鑄造：一般以角速度與時間的變化直接於Non-InertialRF內(nèi)設(shè)定。壓鑄邊界條件條件計算如果使用者知道壓鑄機的充填速度，可以直接換算成柱塞頭的移動速度，當(dāng)作是邊界條件。如果使用者不知道壓鑄機的充填速度，可以改用一般設(shè)計常用的『建議內(nèi)澆口充填速度』換算成柱塞頭的移動速度。叁考數(shù)據(jù)充填速度m/sec鋁20-60鋅30-50鎂40-90黃銅20-50內(nèi)澆口面積A1

內(nèi)澆口速度V1柱塞頭面積A2

柱塞頭速度V2A1*V1=A2*V2V2=A1*V1/A2

V2為邊界條件之速度值

（單位必須換算為CGS制）操作：指定邊界條件成形溫度填入溫度（K）2.8、初始條件設(shè)定FLOW-3D

可設(shè)定多項初始條件，但是在鑄造領(lǐng)域中，最重要的兩項分別是模穴內(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=1.013e6。溫度部分則是必須以K作為換算。攝氏單位必須加上273.15