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(xiàng)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(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(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(gè)面資料以一個(gè)單位法向量（Normalvector）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。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檔案較小）。(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(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(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(gè)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(shí)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(shí)建議將單位轉(zhuǎn)換至CGS制。1mm=0.1cm，因此單位轉(zhuǎn)換時(shí)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(diǎn)Multi-BlockMeshes操作：建立網(wǎng)格網(wǎng)格基本設(shè)定UniformMeshesNon-UniformMeshes使用時(shí)機(jī)：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(diǎn)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(shí)，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(jì)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(shí)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(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-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(shí)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(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AspectRatio（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。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(dòng)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(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(huì)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(shí)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(xiàng)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(gè)（固化分析建議采用一個(gè)）。一般而言，網(wǎng)格區(qū)塊最多不宜超過五個(gè)。如果采用多個(gè)網(wǎng)格區(qū)塊，不要在流動(dòng)復(fù)雜的位置做切割（盡可能在流動(dòng)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(shí)間，時(shí)間到達(dá)時(shí)停止）FillFraction（指定充填率，充填率到達(dá)指定值時(shí)停止）SolidifiedFluidFraction（指定固化率，固化率到達(dá)指定值時(shí)停止）FinishTime為最高判斷原則，一旦到達(dá)FinishTime，程式會(huì)強(qiáng)迫停止。一般執(zhí)行充填仿真時(shí)，會(huì)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(shí)，程式也會(huì)停止計(jì)算；因此將此數(shù)值加大，確保程式會(huì)以FillFraction作為停止條件。完成時(shí)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(xiàng)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(dòng)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(xiàng)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(jì)算流體力學(xué)（ComputationalFluidDynamics）軟件，因此支持多流體的計(jì)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(huì)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(shí)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(dòng)時(shí)，表面紊流可能會(huì)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(huì)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(jì)算時(shí)，卷氣計(jì)算并不會(huì)影響到原始流體的流動(dòng)模式（卷氣量不大），如果卷氣量大到足以影響流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)模式，就必須開啟DensityEvaluation（密度變化模型）以考慮卷氣量對(duì)於流體密度的變化。前者稱為Passive(被動(dòng)）計(jì)算；而後者則是稱為Active（主動(dòng)）計(jì)算。AirEntrainmentmodels填入表面張力系數(shù)并不會(huì)啟動(dòng)表面張力模型計(jì)算；不過會(huì)根據(jù)表面張力系數(shù)大小計(jì)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(dòng);自動(dòng)空氣密度值在Active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。一般計(jì)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(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（TheSurfaceDefectTrackingmodel）會(huì)記錄金屬液體與表面空氣接觸的時(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。DefectTracking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；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(jì)算時(shí)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(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TiltCasting），可以改用Non-InertialReferenceFrame加以定義。重力單位為CGSHeatTransfer（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（internalEnergy）計(jì)算方式系采用1st-orderupwinddifferencingmethod的內(nèi)能計(jì)算方程式，適用於大部分的應(yīng)用案例。如果使用者的流場(chǎng)形式需要較高的精度計(jì)算，例如浮力場(chǎng)（buoyantflows）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)能平流沒有傳熱模型第一順序第二次保存HeatTransferandConductioninComponentsUniformcomponenttemperatures所有的物件會(huì)被當(dāng)作是Lumpedtemperaturebody（集總溫度物件，整個(gè)物件視為一均一溫度之物件），物件內(nèi)部不計(jì)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(shí)間變化。Non-uniform,constanttemperature

物件內(nèi)的溫度不均一，但是仍然不會(huì)啟動(dòng)傳導(dǎo)方程式計(jì)算溫度分布，因此物件的溫度不會(huì)隨著時(shí)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(jì)算。HeatTransferandConductioninComponentsFullenergyequation熱傳計(jì)算包含整個(gè)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(gè)物件會(huì)被當(dāng)作是固定溫度而不進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。Heattransfer為了縮短計(jì)算時(shí)間，使用者可以采用

Firstorder/Uniformcomponenttemperatures

（此時(shí)假設(shè)模具溫度為等溫，程式不計(jì)算模具內(nèi)的溫度分布）FLOW-3DV9.2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)自動(dòng)啟動(dòng)ActiveMesh設(shè)定，可大幅度的縮短分析時(shí)間。流體固體熱轉(zhuǎn)移

Solidification當(dāng)啟動(dòng)固化模型（SolidificationModel），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（latentheat）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(huì)考慮相變化造成的凝固）單純進(jìn)行充填仿真時(shí)，僅需開啟Activatesolidification，其馀選項(xiàng)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(yùn)動(dòng)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(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（Laminarflow），逐漸增加流速，流場(chǎng)中的流線會(huì)出現(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（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(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)

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(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/SolidsDatabase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)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-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?。８邏鸿T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-InertialRF內(nèi)設(shè)定。壓鑄邊界條件條件計(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(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=1.013e6。溫度部分則是必須以K作為換算。攝氏單位必須加上273.15